(57)【要約】【課題】圧縮機からの冷媒の吐出温度を目標値に速く安定に制御し、耐久性が高く運転効率が良いヒートポンプ給湯装置を提供する。【解決手段】本発明のヒートポンプ給湯装置は、減圧手段１２を、圧縮機１０の運転周波数と吐出温度と外気温度と設定給湯温度と放熱器１１の入水温度のうち少なくとも１つの値に応じて制御して、圧縮機１０の冷媒の吐出温度を所定温度にするものである。上記発明によれば、入水温度や外気温度が変動しても吐出温度を目標値に速く安定に制御できることができるヒートポンプ給湯装置を提供することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、貯湯槽と前記放熱器と流量調整手段とを有する給湯水回路と、前記圧縮機の冷媒の吐出温度を前記減圧手段を制御することにより調整する吐出温度制御手段とを備え、前記吐出温度制御手段は、前記圧縮機の運転周波数と吐出温度と外気温度と設定給湯温度と給湯水回路の放熱器の入口温度のうち少なくとも１つの値に応じて制御するヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】
吐出温度制御手段は、吐出温度に応じて減圧手段を制御する閉ループ制御と、圧縮機の運転周波数と外気温度と設定給湯温度と入口温度のうち少なくとも１つの値に応じて減圧手段を制御する開ループ制御とを備え、前記閉ループ制御と開ループ制御を組合わせて制御する請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項３】
運転起動時は開ループ制御のみを行う請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項４】
運転起動から所定時間後に開ループ制御値を固定する請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項５】
冷媒循環回路は、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であり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により貯湯槽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装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヒートポンプ給湯装置としては、特許文献１に記載されているようなヒートポンプ給湯装置が提案されていた。このヒートポンプ給湯装置は図３に示すように、圧縮機１と放熱器２と減圧手段３と吸熱器４とを含む冷媒循環回路５と、貯湯槽６と放熱器２と流量調整手段７とを有する給湯水回路８と、放熱器２に流入する給湯水回路８の入水温度と放熱器８から流出する冷媒循環回路５の高圧冷媒の出口温度との温度差が目標値になるように減圧手段３を制御する制御手段９を備えていた。また、制御手段９は圧縮機１から吐出される冷媒の吐出温度が規定値以上の場合は、前記の温度差の目標値を大きくするようにしていた。これにより、冷媒の吐出温度を圧縮機１の動作温度域に制御している。
【０００３】
しかし、この構成では吐出温度を直接制御できないので、例えば圧縮機１の運転周波数や吐出温度、外気温度、設定給湯温度、入水温度などが変った場合に吐出温度が変化してしまい、安定した吐出温度とならない。また冷媒の出口温度は放熱器８で熱交換された後の温度であるため安定するのに時間がかかってしまい、適正な吐出温度や温度差を得るのに長い時間を要すなどの問題点があった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１８８８５９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、圧縮機からの冷媒の吐出温度を目標値に速く安定に制御し、耐久性が高く運転効率が良いヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、減圧手段を、圧縮機の運転周波数と吐出温度と外気温度と設定給湯温度と給湯水回路の放熱器の入口温度のうち少なくとも１つの値に応じて制御して、圧縮機の冷媒の吐出温度を所定温度にするものである。
【０００７】
上記発明によれば、吐出温度を目標値に速く安定に制御できることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、貯湯槽と前記放熱器と流量調整手段とを有する給湯水回路と、前記圧縮機の冷媒の吐出温度を前記減圧手段を制御することにより調整する吐出温度制御手段とを備え、前記吐出温度制御手段は、前記圧縮機の運転周波数と吐出温度と外気温度と設定給湯温度と給湯水回路の放熱器の入口温度のうち少なくとも１つの値に応じて制御するものである。
【０００９】
この発明によれば、圧縮機の運転周波数と吐出温度と外気温度と設定給湯温度と給湯水回路の放熱器の入口温度のうち少なくとも１つの値が変化しても所定の吐出温度となるように減圧手段を制御するので所望の吐出温度が得られる。
【００１０】
請求項２に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１に記載の吐出温度制御手段が、吐出温度に応じて減圧手段を制御する閉ループ制御と、圧縮機の運転周波数と外気温度と設定給湯温度と入口温度のうち少なくとも１つの値に応じて減圧手段を制御する開ループ制御とを備え、前記閉ループ制御と開ループ制御を組合わせて制御するものである。
【００１１】
この発明によれば、閉ループ制御により吐出温度を直接制御するので、正確に所定の吐出温度が得られる。また閉ループ制御と開ループ制御を組合わせてことで、圧縮機の運転周波数と外気温度と設定給湯温度と入口温度の変化にも素早く対応できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項２において、運転起動時は開ループ制御のみをおこなうようにしたものである。
【００１３】
この発明によれば、運転の始動時や除霜運転から通常運転への切換時などの運転起動時に変動する吐出温度の影響を閉ループ運転を停止し開ループ制御のみで行うことにより、安定した減圧手段制御ができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項２において、運転起動時から所定時間後に開ループ制御値を固定するようにしたものである。
【００１５】
この発明によれば、所定時間までは開ループ制御値するので、機器の温度状態が安定する間は圧縮機の運転周波数と外気温度と設定給湯温度と入口温度などの急変に対応できる。そして所定時間後に開ループ制御値を固定することで閉ループのみの制御とすることで、開ループと閉ループの両制御が干渉することなく正確に所定の温度に制御できる。
【００１６】
請求項５に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、冷媒循環回路を、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であり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により貯湯槽内の水を加熱するように構成している。
【００１７】
この発明によれば、貯湯槽の水と熱交換する冷媒は、臨界圧力以上に加圧されているので、貯湯タンク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。したがって熱交換全域で冷媒と水とに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。
【００１８】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例におけるヒートポンプ給湯装置の構成図を示す。本実施例は一般家庭用のヒートポンプ給湯装置で、主に割安な深夜電力を利用して給湯の湯を貯留するもので、圧縮機１０と放熱器１１と減圧手段１２と吸熱器１３とを直列に閉回路に接続した冷媒循環回路１４と、貯湯槽１５と放熱器１１と流量調整手段１６とを有する給湯水回路１７と、制御手段１８とで構成される。この冷媒循環回路１４は、例えば炭酸ガス（ＣＯ２）を冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。そして圧縮機１０は、内蔵する電動モータ（図示しない）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力を超える圧力まで圧縮して吐出する。また、放熱器１１は冷媒循環回路１４の冷媒と、給湯水回路１７の水との熱交換を行うもので、例えば冷媒が流れる冷媒通路と水が流れる流水通路とが２重管構造に設けられ、且つ冷媒の流れ方向と流水の流れ方向が対向するように構成された対向流式熱交換器である。減圧手段１２は、内蔵するステッピングモータ（図示しない）を駆動させることにより流路の開度を可変させて冷媒の減圧量を変更する。吸熱器１３はファン（図示しない）によって大気熱を吸熱するように作用する。
【００２０】
給湯水回路１４は、貯湯槽１５内の水を所定量すなわち貯湯槽１５に高温の湯を満たすように流量調整手段１６を制御する。これは、貯湯槽１５底部から給水し貯湯槽１５上部に戻す循環構成で、貯湯槽１５内の沸き上げは、この給湯水回路１４の水を放熱器１１で所定温度に加熱して行う。流量調整手段１６はＤＣポンプを用いて電圧制御により流量を可変する。
【００２１】
１９は出湯温度設定手段で、貯湯槽１５の沸き上げ温度となる設定給湯温度を設定するものである。この設定給湯温度は、貯湯霜５での１日の湯の使用量や、水温などによって決定する。２０は冷媒の圧縮機１０の吐出温度を検出する吐出温度検出手段、２１は給湯水回路１４の放熱器１１への入水温度を検出する入水温度検出手段、２２は給湯水回路１４の放熱器１１からの出湯温度を検出する出湯温度検出手段、２３は外気温度を検出する外気温度検出手段である。また、２４は貯湯槽１５への給水管で、２５は貯湯槽１５から蛇口２６を接続する出湯管である。
【００２２】
次に図２に示す制御手段の動作系統図を用いて制御手段１８の構成と作用を説明する。２７は吐出温度制御手段であり、吐出温度と外気温度と入水温度と設定給湯温度と目標周波数に応じて減圧手段１２を制御する。そして、開ループ制御手段２８と、目標吐出温度設定手段２９と、閉ループ制御手段３０と、加算部３１より構成し、開ループ制御手段２８により減圧手段１２の基本開度を設定し、閉ループ制御手段３０により吐出温度が目標値になるようにフィードバック制御の制御量を設定し、加算部３１で開ループ制御手段２８と閉ループ制御手段３０の設定値を加算して減圧手段１２を制御している。
【００２３】
開ループ制御手段２８は、外気温度検出手段２３と入水温度検出温度２１と出湯温度設定手段１９の三者の温度の組合わせから最適な減圧手段１２の開度を設定する。ここで設定する値は、前記三者の組合わせにおける最適値を予め求めて数値化し、メモリ（図示しない）に記憶させ用いる。この開ループ制御は、運転開始時や除霜運転から通常運転に切替わった場合などの運転再開時に、運転が開始されてから所定時間（例えば５分間）経過後の値で固定するように設定している。これは、外気温度検出手段２３や入水温度検出手段２１の検出値が停止時や除霜時に周囲温度に影響されて急変する時間帯は、この変化に対応するために開ループ制御を用いて制御し、外気温度や入水温度が本来の値に落ち着く時間になれば開ループ制御の値を固定して、閉ループ制御との干渉を防止するように作用する。なお、開ループ制御における誤差が少なければ閉ループとの干渉なく外乱に対して素早い制御が可能となるため、継続してもよい。
【００２４】
目標吐出温度設定手段２９は、出湯温度設定手段１９の設定給湯温度に所定温度差を加算して設定する。この所定温度差は、外気温度検出手段２３と入水温度検出手段１９と目標周波数設定手段３２のそれぞれの値によって変更する。変更する条件は吐出温度が適正な温度範囲に納まり、異常な吐出圧力や圧縮機のモータ過電流にならないでかつ効率のよい運転となるように設定する。この所定温度差も外気温度と入水温度と周波数の組合わせにおける最適値を予め求めて数値化し、メモリ（図示しない）に記憶させ用いる。
【００２５】
閉ループ制御手段３０は、吐出温度検出手段２０の検出値が目標吐出温度設定手段２９の設定する目標値になるようにフィードバック制御する。すなわち目標値に対して検出値が低ければ減圧手段１２の開度を絞るように設定し、高ければ開くように設定する。制御方法は公知のＰ制御やＰＩ制御、ＰＩＤ制御、ファジー制御等を用いてもよい。この閉ループ制御は、運転開始時や除霜運転から通常運転に切替わった場合などの運転再開時に、運転が開始されてから所定時間（例えば吐出温度が所定値に達するまでの時間）は閉ループ制御をしないで開ループ制御のみで運転するようにしている。これは、吐出温度が目標値より大幅に低い場合にフィードバック制御をすると、減圧手段１２の開度を絞り過ぎて吐出圧力が異常上昇してしまう場合があり、これを防止する効果がある。
【００２６】
目標周波数設定手段３２は、外気温度検出手段２３と入水温度検出温度２１と出湯温度設定手段１９の三者の温度の組合わせから最適な圧縮機１０の運転周波数を設定する。ここで設定する値は、所要な給湯能力を得るのに必要な前記三者の組合わせにおける最適値を予め求めて数値化し、メモリ（図示しない）に記憶させ用いる。最適値は給湯能力だけではなく運転効率と圧縮機の吐出圧力、吸入圧力、吐出温度、圧縮機のモータ電流などの総合的な運転状態を判断して決定する。
【００２７】
出湯温度制御手段３３は、入水温度検出手段２１と出湯温度検出手段２２と出湯温度設定手段１９の値に応じて、出湯温度が設定給湯温度になるよう流量調整手段１６を制御する。すなわち、出湯温度が低ければ流量調整手段１６の流量を低下させ、高ければ流量を増加させるように制御する。具体的には設定給湯温度と出湯温度との温度偏差により公知のＰＩ制御によりフィードバック制御する。加えて設定給湯温度と入水温度との偏差に反比例する係数を乗じて基本制御量としてフィードバック値に加算して流量調整手段１６を制御する。すなわち、同一な給湯能力の場合、設定給湯温度と入水温度の偏差が大きいと必要流量は少なくてすみ、逆に偏差が大きいと必要流量は多くなる。この点を加味して基本制御量を設定する。なお、フィードバック制御はＰＩ制御としたが、Ｐ制御、ＰＩＤ制御、ファジー制御でもよい。
【００２８】
以上実施例１の構成によれば、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用して、放熱器に冷媒の流れ方向と流水の流れ方向が対向する対向流式熱交換器を採用しているので、高温でかつ効率の良い給湯ができる。
【００２９】
また、吐出温度の目標値として外気温度と入水温度と設定給湯温度と目標周波数から最適な値が設定され、吐出温度がこの目標値になるように閉ループ制御手段により減圧手段を制御するので、吐出温度を確実に目標値に制御することができる。さらに、開ループ制御手段によって外気温度や入水温度、設定給湯温度に応じた減圧手段の最適開度が設定される。したがって常に冷媒回路に適正な冷媒が循環するため、異常温度上昇や異常圧力上昇がなく、そのため、耐久性が高く、運転効率も良くすることができる。
【００３０】
なお、実施例では加熱手段に超臨界ヒートポンプサイクルを用いたが、もちろん通常のヒートポンプサイクルでも良い。
【００３１】
また、その場合の冷媒としてはフロンガス、アンモニア、ハイドロカーボン冷媒（プロパン、ブタンなど）が有用である。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、本発明は圧縮機からの冷媒の吐出温度を目標値に速く安定に制御することができ、耐久性が高く運転効率が良いヒートポンプ給湯装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図２】同実施例１におけるヒートポンプ給湯装置の制御手段の動作系統図
【図３】従来のヒートポンプ給湯装置の構成図
【符号の説明】
１０  圧縮機
１１  放熱器
１２  減圧手段
１３  吸熱器
１４  冷媒循環回路
１５  貯湯槽
１６  流量調整手段
１７  給湯水回路
１９  出湯温度設定手段
２０  吐出温度検出手段
２１  入水温度検出手段
２３  外気温度検出手段
２７  吐出温度制御手段
２８  開ループ制御手段
３０  閉ループ制御手段
３２  目標周波数設定手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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