(57)【要約】【課題】圧縮機の運転周波数を常に最適に制御し、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、圧縮機１０の運転周波数を、外気温度と給湯水回路の沸き上げ設定温度と給湯水回路１７の放熱器１１の入口温度と給湯水回路１７の放熱器１１の出口温度と圧縮機からの冷媒の吐出温度の少なくとも１つの値に応じて制御するものである。上記発明によれば、運転条件が変化しても常に最適な運転状態が維持でき、高効率で高寿命で安全な運転ができる。【選択図】  図１
2004347148.tif 000002
【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、前記圧縮機の運転周波数を制御する周波数制御手段と、外気温度と前記給湯水回路の沸き上げ設定温度と前記給湯水回路の放熱器の入口温度と給湯水回路の放熱器の出口温度と前記圧縮機からの冷媒の吐出温度のうち少なくとも１つの温度に応じて前記圧縮機の運転周波数を制御する制御手段を有するヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】
制御手段は、外気温度と前記給湯水回路の沸き上げ設定温度と前記給湯水回路の放熱器の入口温度の各条件の組合わせにおける圧縮機の周波数の設定値を予め記憶した記憶手段を備え、外気温度と前記給湯水回路の沸き上げ設定温度と前記給湯水回路の放熱器の入口温度の各値より前記記憶手段から設定値を読み出して制御する請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項３】
制御手段は、給湯水回路の放熱器の出口温度が所定の温度を超えた場合に圧縮機の運転周波数を低下させる請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項４】
制御手段は、圧縮機からの冷媒の吐出温度が所定の温度を超えた場合に圧縮機の運転周波数を低下させる請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項５】
制御手段は、周波数制御手段によって圧縮機の運転周波数を変更する際に、周波数の上昇速度を制限する請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項６】
制御手段は、周波数の降下速度を上昇速度より速くする請求項５に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項７】
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１〜６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、外気温度と、この外気温度に対して設定される貯湯槽６に貯留する温水の目標沸き上げ温度とに従って、圧縮機１の運転周波数を制御する制御装置を備えたもので、季節による外気温度の変化や湯の使用量の変化に対応して、沸き上げの無駄の少ない運転を可能にするようにしていた。
【０００３】
しかし、この構成では給湯水回路８の放熱器４の入口温度が高くなった場合に、冷媒循環回路５の冷媒圧力が上昇したり、沸き上げ能力が変化したり、さらに運転効率が悪化するのに対応できない。この放熱器４の入口温度は通常貯湯槽６に流入する水道水温度であるが、貯湯槽６の沸き上げが終了直前になると沸き上げ温度と水道水温度の中間温度の湯が放熱器４に流入して入口温度を急上昇させたり、貯湯槽６内の湯全体が冷えて、中間温度の湯となって貯湯槽６の沸き上げ初期から放熱器４の入口に流入する場合もある。
【０００４】
また、給湯水回路８の放熱器４の出口温度が、上記の放熱器４の入口温度の急上昇などにより急変した場合に対応できない。そのために放熱器４内で沸騰が起こったり、冷媒圧力が上昇して機器の寿命を低下させる可能性があった。
【０００５】
さらに、圧縮機１からの冷媒の吐出温度が急上昇するような場合に対応していないので、冷媒圧力が上昇して機器の寿命を低下させる可能性があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−２８５３８号公報
【０００７】
【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、圧縮機の運転周波数を常に最適に制御し、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。
【０００８】
【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、圧縮機の運転周波数を、外気温度と給湯水回路の沸き上げ設定温度と給湯水回路の放熱器の入口温度と給湯水回路の放熱器の出口温度と圧縮機からの冷媒の吐出温度の少なくとも１つの値に応じて制御するものである。
【０００９】
上記発明によれば、運転条件が変化しても常に最適な運転状態が維持でき、高効率で高寿命で安全な運転ができる。
【００１０】
【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、前記圧縮機の運転周波数を制御する周波数制御手段と、外気温度と前記給湯水回路の沸き上げ設定温度と前記給湯水回路の放熱器の入口温度と給湯水回路の放熱器の出口温度と前記圧縮機からの冷媒の吐出温度のうち少なくとも１つの温度に応じて前記圧縮機の運転周波数を制御する制御手段を有するものである。
【００１１】
この発明によれば、外気温度と前記給湯水回路の沸き上げ設定温度と前記給湯水回路の放熱器の入口温度と給湯水回路の放熱器の出口温度と前記圧縮機からの冷媒の吐出温度との少なくとも１つの値が変化しても、圧縮機の最適な運転周波数となるように制御するので適正な運転状態が維持できる。
【００１２】
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に記載の制御手段が、外気温度と前記給湯水回路の沸き上げ設定温度と前記給湯水回路の放熱器の入口温度の各条件の組合わせにおける、圧縮機の周波数の設定値を予め記憶した記憶手段を備え、外気温度と前記給湯水回路の沸き上げ設定温度と前記給湯水回路の放熱器の入口温度の各値より前記記憶手段から設定値を読み出して制御するものである。
【００１３】
この発明によれば、外気温度や沸き上げ設定温度や放熱器の入口温度が変化しても、記憶手段にある適正の周波数に設定されるので、常に適正な運転状態を維持できる。
【００１４】
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１または２における制御手段が、給湯水回路の放熱器の出口温度が所定の温度を超えた場合に圧縮機の運転周波数を低下させるようにしたものである。
【００１５】
この発明によれば、運転始動時のオーバーシュートや、給湯水回路の放熱器の入口温度の急上昇時や、さらに機器の故障などにより給湯水回路の放熱器の出口温度が異常に上昇する状況であっても、この出口温度が所定の温度を超えると圧縮機の運転周波数を低下させるので、出口温度を所定温度以下に抑えることができ、機器寿命の低下が抑えられる。
【００１６】
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１または２における制御手段が、圧縮機からの冷媒の吐出温度が所定の温度を超えた場合に圧縮機の運転周波数を低下させるようにしたものである。
【００１７】
この発明によれば、運転始動時のオーバーシュートや、給湯水回路の放熱器の出口温度の急上昇時や、さらに機器の故障などにより冷媒の吐出温度が異常に上昇する状況であっても、この吐出温度が所定の温度を超えると圧縮機の運転周波数を低下させるので、吐出温度を所定温度以下に抑えることができ、安全でかつ機器寿命の低下が抑えられる。
【００１８】
請求項５に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の制御手段が、周波数制御手段によって圧縮機の運転周波数を変更する際に、周波数の上昇速度を制限するようにしている。
【００１９】
この発明によれば、外気温度、給湯水回路の沸き上げ設定温度、前記給湯水回路の放熱器の入口温度、湯水回路の放熱器の出口温度、圧縮機からの冷媒の吐出温度の各温度が変化して、これに応じて圧縮機の運転周波数を上昇させる際に、その上昇速度を制限して上昇を遅くするので、圧縮機の冷媒吐出圧力が急上昇したり、圧縮機や周波数制御手段に過電流が流れるのを防止できる。
【００２０】
請求項６に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項５における制御手段が、周波数の降下速度を上昇速度より速くするようにしている。
【００２１】
この発明によれば、周波数の降下速度が上昇速度より速いので、圧縮機の冷媒吐出圧力が急上昇したり、圧縮機や周波数制御手段に過電流が流れるような状況では素早く周波数を低減できるので、冷媒の吐出温度や吐出圧力や電流のオーバーシュートを抑えることができる。
【００２２】
請求項７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。
【００２３】
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。
【００２４】
【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。
【００２５】
（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。
【００２６】
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。
【００２７】
１９は出湯温度設定手段で、貯湯槽１５の沸き上げ設定温度であ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、貯湯槽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への入口温度である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。
【００２８】
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。制御手段１８は、基本周波数設定手段２７と記憶手段２８と補正周波数設定手段２９と変更速度制御手段３０と周波数制御手段３１とで構成され、外気温度と入水温度と設定給湯温度と出湯温度と吐出温度に応じて圧縮機１０の運転周波数を制御する。
【００２９】
基本周波数制御手段２７は、外気温度と入水温度と設定給湯温度に応じて記憶手段２８から基本周波数を呼び出す。記憶手段２８は、外気温度と入水温度と設定給湯温度の各条件の組合わせにおける、圧縮機１０の最適周波数のテーブルを予め記憶させておき、各温度条件に応じた周波数を選定するものである。ここでの最適周波数とは圧縮機１０の冷媒吐出圧力と吐出温度と電流値が使用範囲内にあり、所定の能力が確保されてかつ効率がよい条件である。
【００３０】
補正周波数設定手段２９は、出湯温度検出手段２２または吐出温度検出手段２０の検出温度がそれぞれの所定温度を超えた場合に圧縮機の運転周波数を低下させるために、その低減周波数を設定する。例えば出湯温度が所定温度である９２℃を超えた場合に、低減周波数を４Ｈｚとし、さらに９５℃を超えた場合に低減周波数を１０Ｈｚとする。そして、９５℃を超えてかつ３分経過しても９５℃を下回らない場合は周波数の運転を停止させる。同様に吐出温度が、この場合の所定温度である１１５℃を超えた場合に、低減周波数を４Ｈｚとし、さらに１２０℃を超えた場合に低減周波数を１０Ｈｚとする。そして、１２０℃を超えてかつ３分経過しても１２０℃を下回らない場合は周波数の運転を停止させる。
【００３１】
変更速度制御手段３０は、基本周波数から低減周波数を減じた目標周波数が変更された場合に、その周波数の変更速度に制限を加えるように作用する。そして、変更速度の制限は周波数の降下速度が上昇速度より速くなるように設定する。例えば、周波数が上昇する場合は、３０秒に１Ｈｚの上昇に制限し、周波数が降下する場合は、１秒に１Ｈｚの降下に制限する。
【００３２】
なお運転起動時の周波数上昇は例えば１秒に１Ｈｚで上昇させる等の措置をすることで、周波数の立上リを速くするようにしてもよい。
【００３３】
３１は周波数制御手段であり、変更速度制御手段３０からの周波数制御信号を受けて、圧縮機１０の運転周波数を制御するインバータ回路（図示せず）で構成している。
【００３４】
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。
【００３５】
また、外気温度と入水温度と設定給湯温度の各値より記憶手段から最適な基本周波数を読み出して圧縮機の運転周波数を制御するので、外気温度や設定給湯温度や放熱器の入水温度が変化しても、記憶手段にある適正な周波数に設定されるので、常に最適な運転状態を維持できる。さらに、制御手段の変更速度制御手段によって圧縮機の運転周波数を変更する際に、周波数の上昇速度は遅く、降下速度は速くなるようにを制限するようにしているので、外気温度や入水温度や設定給湯温度や出湯温度や吐出温度の各温度が変化して、これに応じて圧縮機の運転周波数を変更させる際に、その上昇速度は遅く、降下速度は速くなるので、圧縮機の冷媒吐出圧力が急上昇したり、圧縮機や周波数制御手段に過電流が流れるのを防止できる。
【００３６】
なお、本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。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。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、本発明は圧縮機の運転周波数を常に最適に制御し、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
１８  制御手段
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
２８  記憶手段
３１  周波数制御手段
【図１】
2004347148.tif 000003
【図２】
2004347148.tif 000004
【図３】
2004347148.tif 000005