(57)【要約】【課題】安価な構成で、製品として実現容易なヒートポンプ給湯機を提供する。【解決手段】圧縮機２、給湯用熱交換器３、減圧装置４及び空気熱交換器６を環状に接続して構成した冷凍サイクルユニット１と、給湯用熱交換器３の冷媒出口側から減圧装置４の入口側までの冷媒と空気熱交換器６の冷媒出口側から圧縮機２の吸入側までの冷媒を熱交換する内部熱交換器８と、給湯用熱交換器３の冷媒出口側と減圧装置４の出口側を接続するバイパス回路２８とを備え、沸き上げポンプ１０により貯湯タンク１１の底部より水を給湯用熱交換器３を循環させて、貯湯タンク１１内の水を加熱し貯湯するヒートポンプ給湯機において、給湯用熱交換器３に流入する水の入水温度と、外気温度の少なくとも一つにより、内部熱交換器８の熱交換量を制御する熱交換量制御手段２９を設けたもので、より安価な方法で精度良く内部熱交換器８の熱交換量を制御することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、給湯用熱交換器、減圧装置及び空気熱交換器を環状に接続して構成した冷凍サイクルユニットと、前記給湯用熱交換器の冷媒出口側から前記減圧装置の入口側までの冷媒と前記空気熱交換器の冷媒出口側から前記圧縮機の吸入側までの冷媒を熱交換する内部熱交換器と、前記給湯用熱交換器の冷媒出口側と前記減圧装置の出口側を接続するバイパス回路とを備え、沸き上げポンプにより貯湯タンクの底部より水を前記給湯用熱交換器を循環させることによって、前記貯湯タンク内の水を加熱し高温の湯を前記貯湯タンク内に貯めるヒートポンプ給湯機において、前記給湯用熱交換器に流入する水の入水温度と、外気温度の少なくとも一つにより、前記内部熱交換器の熱交換量を制御する熱交換量制御手段を設けたことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
バイパス回路にバイパス弁を配し、熱交換量制御手段は、前記バイパス弁の開度を加減して内部熱交換器の熱交換量を制御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】
臨界圧力以上で用いられる冷媒を使用することを特長とする請求項１又は２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】
本発明は加熱した湯水を貯湯タンクに蓄えて給湯を行うヒートポンプ給湯機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のヒートポンプ給湯機として、図５に示されるようなものがあった(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
図５は、前記特許文献１に記載された従来のヒートポンプ給湯機の回路図、図６は、同ヒートポンプ給湯機のバイパス弁制御フロー図である。
【０００４】
図５において、従来のヒートポンプ給湯機の冷凍サイクルユニット１は、水に熱を与えて加熱する加熱源となるもので、圧縮機２と、給湯用熱交換器３と、減圧装置４と、空気熱交換器６を環状に接続して構成されている。
【０００５】
また、給湯用熱交換器３の冷媒出口側から減圧装置４の入口側までの冷媒と、空気熱交換器６の冷媒出口側から圧縮機２の吸入側までの冷媒を熱交換する内部熱交換器８が設けられ、さらに給湯用熱交換器３の冷媒出口側と減圧装置４の出口側を接続する内部熱交換器８のバイパス回路２７には、バイパス弁５が設けられている。
【０００６】
空気熱交換器６は、送風装置７により送風された外気と内部に流れる冷媒との熱交換を行う。
【０００７】
また、水を循環して、冷凍サイクルユニット１で加熱された湯を貯留し給湯する貯湯ユニット９は、沸き上げポンプ１０により、貯湯タンク１１の底部より水を給湯用熱交換器３を循環させることによって、貯湯タンク１１内の水を加熱し、高温の湯を貯湯タンク１１内に貯めるようにしている。
【０００８】
沸き上げ運転では、圧縮機２で加圧された高温高圧のガス冷媒が、給湯用熱交換器３に送られる。沸き上げポンプ１０で搬送されてきた貯湯タンク１１の底部の冷水と熱交換して低温冷媒となる。そして、給湯用熱交換器３で冷水に放熱した冷媒は、減圧装置４で減圧され、二相の冷媒となり、そして空気熱交換器６に送られて大気と熱交換し低温のガス冷媒となり圧縮機２に循環する。
【０００９】
一方、貯湯タンク１１の底部の冷水は、沸き上げポンプ９で給湯用熱交換器６に搬送され冷媒の熱を吸熱して高温の湯となって沸き上げ管１３を通って貯湯タンク１１の上部に送られる。この時、高温の湯は、密度差により水とほぼ混合されることなく高温の湯は貯湯タンク１１内上部より積層していき貯湯タンク１１内を高温の湯が溜まることになる。
【００１０】
この時、コントローラ３４は、図６に示されるような処理を行う。
【００１１】
圧縮機２の吐出圧力を検出する圧力センサ−３５からの圧力信号、圧縮機２の吐出温度を検出する吐出温度センサ−３６からの信号、空気熱交換器６にかかる負荷を例えば空気熱交換器６出口の冷媒温度として検出する蒸発器温度センサ３７からの信号を入力し（ＳＴＥＰ５０）、これら信号に基づいてＣＯＰを最大とする最適圧力を演算したり、高圧圧力が危険領域まで上昇したか否か、吐出温度が危険温度まで上昇したか否か等を判定し（ＳＴＥＰ５１）、それに基づいてバイパス弁５の開度を決定して、そのような開度となる
ようにバイパス弁５の開度を駆動制御する（ＳＴＥＰ５２）ようになっている。
【特許文献１】特開平１１−１９３９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来のヒートポンプ給湯機の構成では、圧力センサー３５を使用して内部熱交換器８の熱交換量を制御しているが、圧力センサー３５は、例えば臨界圧力以上で使用する様な高圧の炭酸ガス等の場合には、圧力センサー３５の精度が悪く、精度が向上した圧力センサー３５は高価なため、現在製品化されているヒートポンプ給湯機に圧力センサー３５を取り付けている例は希である。
【００１３】
従って、圧力センサー３５を使用して内部熱交換器８の熱交換量を制御するのは実現が容易でないという課題があった。
【００１４】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、圧力センサーの代りに、温度センサーを使用して内部熱交換器の熱交換量を制御することにより、即ち、より安価な方法で精度良く制御できる、実現容易なヒートポンプ給湯機を提供す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】
【００１５】
上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、給湯用熱交換器、減圧装置及び空気熱交換器を環状に接続して構成した冷凍サイクルユニットと、前記給湯用熱交換器の冷媒出口側から前記減圧装置の入口側までの冷媒と前記空気熱交換器の冷媒出口側から前記圧縮機の吸入側までの冷媒を熱交換する内部熱交換器と、前記給湯用熱交換器の冷媒出口側と前記減圧装置の出口側を接続するバイパス回路とを備え、沸き上げポンプにより貯湯タンクの底部より水を前記給湯用熱交換器を循環させることによって、前記貯湯タンク内の水を加熱し高温の湯を前記貯湯タンク内に貯めるヒートポンプ給湯機において、前記給湯用熱交換器に流入する水の入水温度と、外気温度の少なくとも一つにより、前記内部熱交換器の熱交換量を制御する熱交換量制御手段を設けたもので、より安価な方法で精度良く内部熱交換器の熱交換量を制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のヒートポンプ給湯機は、高価な圧力センサーを使用せず、温度センサーを使用して内部熱交換器の熱交換量を制御することにより、即ち、より安価な方法で精度良く制御できる、実現容易なヒートポンプ給湯機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
第１の発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、減圧装置及び空気熱交換器を環状に接続して構成した冷凍サイクルユニットと、前記給湯用熱交換器の冷媒出口側から前記減圧装置の入口側までの冷媒と前記空気熱交換器の冷媒出口側から前記圧縮機の吸入側までの冷媒を熱交換する内部熱交換器と、前記給湯用熱交換器の冷媒出口側と前記減圧装置の出口側を接続するバイパス回路とを備え、沸き上げポンプにより貯湯タンクの底部より水を前記給湯用熱交換器を循環させることによって、前記貯湯タンク内の水を加熱し高温の湯を前記貯湯タンク内に貯めるヒートポンプ給湯機において、前記給湯用熱交換器に流入する水の入水温度と、外気温度の少なくとも一つにより、前記内部熱交換器の熱交換量を制御する熱交換量制御手段を設けたもので、より安価な方法で精度良く内部熱交換器の熱交換量を制御することができる。
【００１８】
第２の発明は、特に、第1の発明のバイパス回路にバイパス弁を配し、熱交換量制御手段は、前記バイパス弁の開度を加減して内部熱交換器の熱交換量を制御するもので、これにより、より安価な方法で精度良く内部熱交換器の熱交換量を制御することができる。
【００１９】
第３の発明は、特に、第１又は第２の発明のヒートポンプ給湯機は、臨界圧力以上で用いられる冷媒を使用するもので、給湯用熱交換器を流れる冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、給湯用熱交換器で熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって給湯用熱交換器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり熱交換効率を高くできる。
【００２０】
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。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の回路図、図２は、同ヒートポンプ給湯機のバイパス弁５の開度とＣＯＰの関係図、図３は、同ヒートポンプ給湯機の入水温度、外気温度とバイパス弁５の開度の関係図、図４は、同ヒートポンプ給湯機のバイパス弁制御フロー図である。
【００２２】
本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機は、低温の湯水と高温の湯水とが層を成した状態で貯えられる貯湯タンク１１を有する貯湯ユニット９と、貯湯タンク１１の水を加熱して沸き上げる冷凍サイクルユニット１からなり、沸き上げた湯を貯湯タンク１１に貯湯して給湯に利用するものである。
【００２３】
先ず、冷凍サイクルユニット１の構成について説明する。
【００２４】
冷凍サイクルユニット１は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、冷媒を冷却する給湯用熱交換器３と、冷媒を減圧する減圧装置４と、冷媒を蒸発気化する空気熱交換器６で構成されている。
【００２５】
圧縮機２の吐出側より給湯用熱交換器３を介して減圧装置４に接続し、さらに圧縮機２の吸入側に接続している。
【００２６】
また、給湯用熱交換器３の冷媒出口側から減圧装置４の入口側までの冷媒と、空気熱交換器６の冷媒出口側から圧縮機２の吸入側までの冷媒を熱交換する内部熱交換器８が設けられ、さらに給湯用熱交換器３の冷媒出口側と減圧装置４の出口側を接続する内部熱交換器８のバイパス回路２８が設けられ、そのバイパス回路２８の途中にバイパス弁５が設けられている。
【００２７】
そして、この冷凍サイクルユニット１においては、冷媒として炭酸ガスが用いられており、圧縮機２によって圧縮された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として給湯用熱交換器３に入り、ここで放熱して冷却する。その後、減圧装置４において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、空気熱交換器６で外気と熱交換して蒸発気化し圧縮機２へ戻される。この時、送風装置７により、外気との熱交換が促進される。また外気温度を検知する外気温度センサー３１を設置している。
【００２８】
熱交換量制御手段２９は、外気温度センサー３１の検知温度と給湯用熱交換器３に入る水の入水温度を検知する入水温度センサー１５の検知温度から、バイパス弁５の開度を決定し動作させるものである。
【００２９】
外気温度センサー３１及び入水温度センサー１５は、例えば安価なサーミスタを用いて良い。
【００３０】
一方、湯の沸き上げに関する構成として、沸き上げ管１３は、貯湯タンク１１の下部から冷凍サイクルユニット１の給湯用熱交換器３と接続し、貯湯タンク１１上部へ接続している。
【００３１】
沸き上げ管１３が接続されている貯湯タンク１１の上部とは、湯水が貯湯タンク１１の高温層側であればよく、また、貯湯タンク１１の下部とは、湯水が貯湯タンク１１の低温層側であればよい。
【００３２】
貯湯タンク１１から冷凍サイクルユニット１に湯水を送り貯湯タンク１１に戻すために、沸き上げ管１３の途中には、出力を任意に変化させることができる沸き上げポンプ１０を設けている。
【００３３】
また、冷凍サイクルユニット１において加熱する前の低湯水の温度を検知する入水温度センサー１５を、沸き上げ管１３の給湯用熱交換器３の入口側近傍に、加熱した高湯水の温度を検知する出湯温度センサー１６を、沸き上げ管１３の給湯用熱交換器３の出口近傍に設けている。
【００３４】
そして、貯湯タンク１１の温度分布を把握するため、外側壁面の垂直方向に貯湯温度検知手段１２ａ〜１２ｄを備えている。
【００３５】
また、供給された水は冷凍サイクルユニット１で加熱される際に膨張するため、貯湯タンク１１や水利用回路の耐圧強度を超えないように圧力逃し弁１４を、貯湯タンク１１の頭頂部近傍に設置しており、圧力逃し弁１４には、膨張水を排水するための排水管２６が接続されている。
【００３６】
給湯に関する構成としては、貯湯タンク１１の底部に給水源（図示せず）から給水を行う給水管１９が接続され、給水源からは、減圧弁２０にて適度な圧力に減圧されて給水管１９に給水される。
【００３７】
貯湯タンク１１の上部には、貯湯された高温水を出湯し給湯に利用するための給湯管２１が接続され、その途中には、給水管１９からの給水バイパス管２２が接続されている。また、給湯管２１からの高温水と給水バイパス管２２からの低温水を任意の比率で混合可能な給湯用混合弁２３が設けられている。
【００３８】
給湯用混合弁２３の下流側には、混合された給湯温度を検知するために給湯温度センサー２５が設けられ、その先に蛇口やシャワーに代表される給湯端末２４が接続されている。
【００３９】
この様に構成された本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の動作、作用について説明する。
【００４０】
沸き上げ運転では、圧縮機２で加圧された高温高圧のガス冷媒が給湯用熱交換器３に送られる。沸き上げポンプ１０で搬送されてきた貯湯タンク１１の底部の冷水と熱交換して低温冷媒となる。そして、給湯用熱交換器３で冷水に放熱した冷媒は減圧装置４で減圧され、二相の冷媒となる。そして空気熱交換器６に送られて大気と熱交換し低温のガス冷媒となり圧縮機２に循環する。
【００４１】
この時、熱交換量制御手段２９は、ＣＯＰを最適に制御するためバイパス弁５の開度を決定し、その開度に動作させる。
【００４２】
次に、バイパス弁５の開度決定についてより詳細に説明する。
【００４３】
図２に一定の入水温度、外気温度条件の下で測定したバイパス弁５の開度とＣＯＰ関係図を示す。図２に示すように一定条件下では、あるバイパス弁５の開度でＣＯＰが最大となることが判る。
【００４４】
図３に、ＣＯＰが最大となる入水温度、外気温度とバイパス弁５の開度の関係図を示す。図２に示すデータを、条件を変えて測定し、ＣＯＰが最大となる入水温度、外気温度とバイパス弁５の開度の関係を求めたのが図４である。
【００４５】
予め測定された図３のデータは、例えば、近似式或いはマトリックスなどの形式で熱交換量制御手段２９に記憶されており、熱交換量制御手段２９では、図４に示す処理がなされる。
【００４６】
図４に示すように、ＳＴＥＰ６０で入水温度センサー１５で検知された入水温度と、外気温度センサー３１で検知された外気温度を検知する。ＳＴＥＰ６１でＣＯＰが最大となる入水温度、外気温度とバイパス弁５の開度を算出する。ＳＴＥＰ６２では算出されたバイパス弁５の開度が予め決めておいた最大値から最小値の間となるように開度を決定する。ＳＴＥＰ６３ではバイパス弁５を動作させる。
【００４７】
この様にして、冷凍サイクルユニット１のＣＯＰが最適になるよう内部熱交換器８の熱交換量を調整している。
【００４８】
一方、貯湯タンク１１の底部の冷水は、沸き上げポンプ１０で給湯用熱交換器３に搬送され冷媒の熱を吸熱して高温の湯となって沸き上げ管１３を通って貯湯タンクの上部に送られる。この時、高温の湯は、密度差により水とほぼ混合されることなく高温の湯は貯湯タンク１１内上部より積層していき貯湯タンク１１内に高温の湯が溜まることになる。貯湯温度検知手段１２ａ〜１２ｄにより、貯湯タンク１１内が高温の湯で満たされたことを検知すると、冷凍サイクルユニット１を停止して加熱を止める。
【００４９】
また沸き上げ運転時に、沸き上げ管１３を通って、貯湯タンク１１の上部に送られた湯水は、冷凍サイクルユニット１で加熱される際に膨張するため、貯湯タンク１１内の内圧が上昇する。この時、耐圧強度を超えないように圧力逃がし弁１４が開成され、排水管２６を通って、貯湯タンク内１１の湯水の一部が外部に排水され、貯湯タンク１１内の内圧は低下する。
【００５０】
給湯のために利用者が蛇口などの給湯端末２４を開けると、先ず貯湯タンク１１内の湯水が給湯管２１から出湯されるとともに、給水管１９から貯湯タンク１１に給水される。
【００５１】
給湯は、給水バイパス管２２により給水を分岐し、貯湯タンク１１と給湯用熱交換器３で加熱された湯水を混合した湯水と、給水からの低温水を混合弁２３において混合比を変えて混合することで、給湯温度を変化させて、給湯端末２４に給湯する。この時の混合比は給湯温度センサー２５で検知される給湯温度に応じて制御され、所定の給湯温度に保たれる。
【００５２】
尚、本実施の形態では、入水温度と外気温度の関係によって、バイパス弁５の開度を決定するよう説明したが、入水温度の代わりに、給湯用熱交換器３の出口から内部熱交換器８の入口温度を、また、外気温度の代わりに空気熱交換器６の入口冷媒温度を用いても同様の効果が得られる。
【００５３】
さらに、入水温度単独、外気温度単独でバイパス弁５の開度を決定しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、圧力センサーを使用せず、温度センサーを使用して内部熱交換器の熱交換量を制御することにより、より安価な方法で制御することで、実現容易なヒートポンプ給湯機として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【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回路図
【図２】同ヒートポンプ給湯機のバイパス弁の開度とＣＯＰの関係図
【図３】同ヒートポンプ給湯機の入水温度、外気温度とバイパス弁の開度の関係図
【図４】同ヒートポンプ給湯機のバイパス弁制御フローチャート
【図５】従来のヒートポンプ給湯機の回路図
【図６】同ヒートポンプ給湯機のバイパス弁制御フローチャート
【符号の説明】
【００５６】
１  冷凍サイクルユニット
２  圧縮機
３  給湯用熱交換器
４  減圧装置
５  バイパス弁
６  空気熱交換器
８  内部熱交換器
１０  沸き上げポンプ
１１  貯湯タンク
２８  バイパス回路
２９  熱交換量制御手段
【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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