(57)【要約】【課題】熱負荷に供給される温水の温度を速やかに目標温度に上昇させることができるヒートポンプ式温水器を提供する。【解決手段】ヒートポンプ式温水器１は、コントローラ１９によって圧縮機４の速数（回転数）を変化させてパネルヒータ１２（熱負荷）に供給される温水の温度を調節している。パネルヒータ１２に供給される温水の温度は温度センサ１８によって検出する。運転開始時で温度センサ１８と標準温度（目標温度−２℃）との差が−８以下のときは、コントローラ１９は圧縮機４の速数を最大の「８」にしてその差が目標温度である「２」となるまで速数を維持する。検出値が下降するときは下降幅に応じて圧縮機４の速数を上昇させる。検出値が上昇するときは目標温度になるまで圧縮機４の速数を減少させずに維持する。検出値が上限値まで上昇しその後下降するときは、目標温度よりも低い運転開始温度まで圧縮機４を運転せず、運転開始温度になったら圧縮機４を最大速数で運転する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とが順に接続された冷媒回路と、
前記凝縮器によって前記冷媒回路との熱交換を行い、循環ポンプと、熱負荷に温水を供給する供給口と、前記熱負荷から温水が戻される環流口とを有する温水回路とを備えるヒートポンプ式温水器であって、
前記熱負荷に供給される温水の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出値によって前記圧縮機の能力を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記熱負荷に供給される温水の目標温度を有し、
前記温度センサの検出値が前記目標温度のときには前記圧縮機の能力を所定の基準能力に制御し、
前記温度センサの検出値が前記目標温度未満で下降するときは前記検出値と前記目標温度との差に応じて前記圧縮機の能力を上昇させ、上昇された圧縮機の能力で運転し、前記温度センサの検出値が上昇するときは前記検出値が前記目標温度になるまで設定された圧縮機の能力を維持することを特徴とするヒートポンプ式温水器。
【請求項２】
前記コントローラは、前記熱負荷の特性に応じて前記目標温度よりも低く設定された運転開始温度を有し、
前記温度センサの検出値が前記目標温度を越えて上昇するときは前記検出値と前記目標温度との差に応じて前記圧縮機の能力を下降させ、前記圧縮機を最小能力にして前記検出値が所定の上限温度となったときは前記圧縮機の運転を停止し、前記圧縮機の運転が停止された状態で前記温度センサの検出値が下降するときは前記運転開始温度となるまで停止状態を維持し、前記検出値が前記運転開始温度となったときは前記圧縮機の能力を最大にして運転を開始し、前記検出値が前記目標温度に達するまで前記圧縮機を最大能力で運転することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式温水器。
【請求項３】
前記温水回路に温水を加熱する補助ヒータが設けられ、
前記コントローラは、熱負荷の特性に応じて前記目標温度よりも低く設定された第２目標温度と前記運転開始温度よりも低く設定された補助ヒータ作動温度とを有し、
前記温度センサの検出値が前記補助ヒータ作動温度以下のときは前記補助ヒータを作動させ、前記検出値が前記第２目標温度に達するまで前記補助ヒータの作動を維持し、前記検出値が前記第２目標温度に達したときは前記補助ヒータの作動を停止することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式温水器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機の能力を変更して所定の温度の温水を熱負荷に供給するヒートポンプ式温水器に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機の能力を段階的に変更することができるヒートポンプ式温水器は、従来より空気調和機や給湯器に広く用いられている。空気調和機に用いられている例としては、下記特許文献１に開示されたものが知られている。このような従来のヒートポンプ式温水器では、図３に示すように、室内温度と目標温度との温度差に応じて圧縮機の能力（回転数）を段階的に変更させている。例えば、暖房運転時において、室内温度と目標温度との差が大きいときは圧縮機の能力を高くする制御が行われるが、室内温度と目標温度との温度差が小さくなると、それに応じて圧縮機の能力も低くなるように制御される。
【０００３】
しかしながら、室内温度と目標温度との温度差が小さくなった場合、即ち室内温度が目標温度に近づいたときは、圧縮機の能力も低くなるため、室内温度の上昇度合いも少なくなり、室内温度が目標温度となるには時間がかかっていた。
【０００４】
また、下記特許文献１に開示された技術では、ヒートポンプ式温水器に加えて補助ヒータも併用されているが、室内温度と目標温度との温度差が小さくなり圧縮機の能力が低くなっている状態でも補助ヒータが運転されている。一般に補助ヒータはヒートポンプに比べてエネルギー効率が劣るため、エネルギー効率の高いヒートポンプの能力を最大限に活用できていない。
【特許文献１】特開平５−２５６４９６号公報（明細書００２６〜００２７、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ヒートポンプ式温水器の改良を目的とし、さらに詳しくは前記不都合を解消するために、熱負荷に供給される温水の温度を速やかに目標温度に上昇させることができるヒートポンプ式温水器を提供することを目的とする。また、補助ヒータを併用する場合は、エネルギー効率の高いヒートポンプの能力を最大限に活用することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明のヒートポンプ式温水器は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とが順に接続された冷媒回路と、前記凝縮器によって前記冷媒回路との熱交換を行い、循環ポンプと、熱負荷に温水を供給する供給口と、前記熱負荷から温水が戻される環流口とを有する温水回路とを備えるヒートポンプ式温水器であって、前記熱負荷に供給される温水の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出値によって前記圧縮機の能力を制御するコントローラとを備え、以下の制御を行うことを特徴とする。
【０００７】
前記コントローラは、前記熱負荷に供給される温水の目標温度を有し、前記温度センサの検出値が前記目標温度のときには前記圧縮機の能力を所定の基準能力に制御する。前記温度センサの検出値が前記目標温度未満で下降するときは前記検出値と前記目標温度との差に応じて前記圧縮機の能力を上昇させ、上昇された圧縮機の能力で運転し、前記温度センサの検出値が上昇するときは前記検出値が前記目標温度になるまで設定された圧縮機の能力を維持する。
【０００８】
本発明のヒートポンプ式温水器は、前記温度センサの検出値が前記目標温度未満で下降するときは前記圧縮機の能力を上昇させ、前記検出値が前記目標温度に達するまでその上昇させた状態を維持する。従って、従来の装置に比べて熱負荷に供給される温水の温度を所望の温度に迅速に上昇させることができる。
【０００９】
また、本発明のヒートポンプ式温水器においては、運転開始時に前記検出値が前記目標温度になるまで前記圧縮機の能力が維持されるだけでなく、運転中に熱負荷における消費熱量が急激に上昇して前記温度センサの検出値が急激に下がった場合でも、前記検出値が前記目標温度になるまで前記圧縮機の能力が維持される。このため、運転開始時のみならず、運転継続中においても前記熱負荷に供給される温水の温度を迅速に所望の温度に上昇させることができる。
【００１０】
また、前記コントローラは、前記温度センサの検出値が前記目標温度となったときは前記圧縮機の能力を基準能力に制御している。前記コントローラは熱負荷に供給される温水の温度が前記目標温度となるように制御しているため、本発明のヒートポンプ式温水器の運転中は前記圧縮機の能力が前記基準能力となる頻度が高い。従って、この基準能力を定める際に圧縮機の能力や耐久性等を考慮して適切な値とすることにより、効率がよく耐久性の高い装置とすることができる。
【００１１】
また、本発明のヒートポンプ式温水器においては、前記コントローラが、前記熱負荷の特性に応じて前記目標温度よりも低く設定された運転開始温度を有し、前記温度センサの検出値が前記目標温度を越えて上昇するときは前記検出値と前記目標温度との差に応じて前記圧縮機の能力を下降させ、前記圧縮機を最小能力にして前記検出値が所定の上限温度となったときは前記圧縮機の運転を停止し、前記圧縮機の運転が停止された状態で前記温度センサの検出値が下降するときは前記運転開始温度となるまで停止状態を維持し、前記検出値が前記運転開始温度となったときは前記圧縮機の能力を最大にして運転を開始し、前記検出値が前記目標温度に達するまで前記圧縮機を最大能力で運転することが好ましい。
【００１２】
前記温度センサの検出値が前記目標温度を超え、前記圧縮機の能力を最小にしても前記検出値が上限温度となるときは、熱負荷での熱量の消費が少ない場合である。従って、前記圧縮機の運転を停止した後、前記温度センサの検出値が前記目標温度に下がった場合であっても、この時点で前記圧縮機の運転を再開すると前記検出値がすぐに上限温度となり、再度圧縮機の運転を停止しなければならないおそれがある。そこで、本発明では、前記圧縮機の運転を停止した後、前記目標温度ではなくそれよりも低い運転開始温度を設定し、当該運転開始温度まで前記圧縮機の運転を停止している。また、前記温度センサの検出値が前記運転開始温度まで下がったときは、前記検出値が前記目標温度になるまで前記圧縮機の能力を最大にして前記検出値が速やかに前記目標温度となるようにしている。このように、前記圧縮機を必要なときにのみ運転し、運転する際はエネルギー効率の高い高回転域を使用することにより、装置全体としてエネルギー効率のよい運転を行うことができる。
【００１３】
また、前記運転開始温度は、熱負荷の特性に応じて定められる。例えば、熱負荷が空気調和機のパネルヒータのようにその温度変化が室温に敏感に影響を与えないようなものであれば、前記運転開始温度は前記目標温度よりもかなり低い値でも運転に支障がないため、エネルギー効率を考慮して前記目標温度と大きな差を設けてもよい。一方、熱負荷が空気調和機のファンコンベクタや給湯に用いられる温水タンクのようなもののように、熱負荷の温度変化が使用者に与える影響が敏感となるものであれば、使用者に与える影響が少なくなるようにその値を決めることが好ましい。
【００１４】
また、本発明のヒートポンプ式温水器において、前記温水回路に温水を加熱する補助ヒータが設けられているときは、前記コントローラが熱負荷の特性に応じて前記目標温度よりも低く設定された第２目標温度と前記運転開始温度よりも低く設定された補助ヒータ作動温度とを有し、前記温度センサの検出値が前記補助ヒータ作動温度以下のときは前記補助ヒータを作動させ、前記検出値が前記第２目標温度に達するまで前記補助ヒータの作動を維持し、前記検出値が前記第２目標温度に達したときは前記補助ヒータの作動を停止することが好ましい。
【００１５】
前記補助ヒータは前記冷媒回路による温水の加熱に比べてエネルギー効率がよくないので、本発明においては、前記補助ヒータの作動開始温度を前記圧縮機の運転開始温度よりも低くして、前記圧縮機による加熱のみでは前記温度センサの検出値が前記運転開始温度よりも下がった場合にのみ前記補助ヒータを作動させている。これにより、前記圧縮機の能力が低い状態で前記補助ヒータが作動することはないので、前記圧縮機の能力を最大限に活用し、必要な場合にのみ前記補助ヒータを作動させることができる。
【００１６】
また、前記第２目標温度を定める際には、熱負荷の特性を考慮し、熱負荷の温度変化によって使用者に直接影響を与えない場合は、エネルギー効率を考慮して使用者に不快感を与えない範囲で前記第２目標温度と前記目標温度との差を大きくすることが好ましい。また、熱負荷の温度変化によって使用者に敏感に影響を与える場合は、前記第２目標温度と前記目標温度との差を少なくすることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明のヒートポンプ式温水器の実施形態の一例について、図１及び図２を参照して説明する。本実施形態のヒートポンプ式温水器１は、図１に示すように、冷媒回路２と温水回路３とを備えた暖房システムに用いられている。
【００１８】
冷媒回路２は、冷媒を圧縮する圧縮機４と、その下流側に順に設けられた凝縮器５と、電子膨張弁６と、蒸発器７とを備えている。本実施形態においては、蒸発器７は室内の空気を室外に排出する換気ユニット８内に設けられており、室内から排出される空気の熱を回収するように構成されている。また、凝縮器５と電子膨張弁６との間には公知のドライヤ９とサイトグラス１０とが設けられている。
【００１９】
温水回路３は、温水を循環させる循環ポンプ１１と、その下流側に設けられたパネルヒータ１２（熱負荷）に温水を供給する供給口１３と、パネルヒータ１２から戻される温水が流入する環流口１４と、その下流側に設けられた膨張タンク１５と、凝縮器５の下流側に設けられた補助ヒータ１６と、その下流側に設けられた貯湯槽１７とを備えている。また、循環ポンプ１１の下流側には、供給口１３から供給される温水の温度を検出する温度センサ１８が設けられている。
【００２０】
また、本実施形態のヒートポンプ式温水器１は、圧縮機４の運転制御等を行うコントローラ１９を備えている。コントローラ１９は、温度センサ１８の検出値とパネルヒータ１２に供給される温水の目標温度又は第２目標温度とを比較する比較手段２０と、目標温度や第２目標温度等を記憶しているＥＥＰＲＯＭ２１とを備えている。このコントローラ１９は、冷媒回路２の圧縮機４及び電子膨張弁６に電気的に接続されている。また、コントローラ１９は温水回路３の循環ポンプ１１と補助ヒータ１６と温度センサ１８とに電気的に接続されている。
【００２１】
本実施形態においては、コントローラ１９は、圧縮機４の能力の制御を速数（回転数）を段階的に変化させることにより行っている。具体的には、図２の制御図において縦軸が圧縮機４の速数であり、その速数は最大能力の「８」から最小能力の「１」、そして停止の「０」の９段階に分かれている。また、図２の横軸は、温度センサ１８の検出値とＥＥＰＲＯＭ２１に記憶された標準温度との差を示す。
【００２２】
本実施形態では標準温度＋２℃を目標温度としており、標準温度を第２目標温度としている。この標準温度は、ヒートポンプ式温水器１に接続される熱負荷の標準的な値である。本実施形態においては、パネルヒータ１２用の補正値として２℃を加えた値を目標温度としている。
【００２３】
また、本実施形態では、コントローラ１９は、温度センサ１８の検出値がこの目標温度であるときは、圧縮機４の速数を基準能力である「３」に制御するようにプログラムされている。この基準能力は、熱負荷の消費熱量や圧縮機４の能力等を勘案し、その装置においてエネルギー効率と圧縮機４の耐久性等とのバランスのよい速数を選択しており、本実施形態の場合は圧縮機４の速数で「３」となっている。
【００２４】
また、本実施形態においては、補助ヒータ１６の作動開始温度を標準温度から１０℃低い温度（目標温度から１２℃低い温度）に設定している。この温度差は、熱負荷の性質によって任意に変更が可能である。本実施形態では、熱負荷がパネルヒータ１２であるため、その温度変化が室内の温度変化に敏感に影響するものではないので、このような温度差としている。
【００２５】
次に、本実施形態のヒートポンプ式温水器１の作動について図２を参照して説明する。図２においては、温度センサ１８の検出値が上昇している状態を実線で示し、下降している状態を点線で示している。
【００２６】
まず、温度センサ１８の検出値が標準温度から１０℃以上下回っている状態で運転を開始する場合について説明する。本実施形態のヒートポンプ式温水器１が用いられている暖房システムの運転が開始されると、コントローラ１９は、循環ポンプ１１を作動させ、温度センサ１８によって供給口１３からパネルヒータ１２に供給される温水の温度を検出する。そして、比較手段２０によって温度センサ１８の検出値とＥＥＰＲＯＭ２１に記憶されている標準温度とを比較する。
【００２７】
運転開始時で温度センサ１８の検出値が低く、標準温度よりも１０℃以上下回っているので、比較手段２０による比較結果が「−１０」未満となる。従って、コントローラ１９は圧縮機４の速数を最大の「８」として作動させる。また、比較手段２０による結果が補助ヒータ１６の作動開始温度である標準温度−１０℃よりも低いため、コントローラ１９は補助ヒータ１６を作動させる。
【００２８】
このように、圧縮機４の速数を最大にすると共に補助ヒータ１６によって温水を加熱すると、温度センサ１８の検出値が上昇するため、比較手段２０による比較結果が「−１０」未満から徐々に「０」に近づいていく。このとき、例えば比較手段２０による比較結果が「−６」と「−４」の間のＡ点となった場合であっても、コントローラ１９は圧縮機４の速数を下げることなく最大の「８」で作動させる。
【００２９】
そして、温度センサ１８の検出値が標準温度、即ち第２目標温度になると、比較手段２０による比較結果が「０」になるため、コントローラ１９は補助ヒータ１６の作動を停止させる。このように補助ヒータ１６の作動を目標温度ではなく第２目標温度で停止させるのは、パネルヒータ１２に供給される温水の温度を第２目標温度にまで迅速に上昇させることができれば、その後に目標温度とするための温度の修正には多少時間がかかってもよく、その修正には補助ヒータ１６よりもエネルギー効率のよい冷媒回路２を使用した方がエネルギー消費が少ないからである。
【００３０】
一方、コントローラ１９は圧縮機４の速数を最大の「８」に維持している。この状態で、パネルヒータ１２から放熱される熱量よりも供給口１３から送られる温水の熱量が上回っている場合は、温度センサ１８の検出値がさらに上昇して目標温度となり、比較手段２０による比較結果が「２」となる。このとき、コントローラ１９は圧縮機４の速数を基準能力である「３」に変更する。この圧縮機４の速数が「３」の状態で、比較手段２０による比較結果が「０」以上「４」未満であれば、コントローラ１９は圧縮機４の速数を「３」に保持した状態で運転を続ける。本実施形態のヒートポンプ式温水器１では、圧縮機４の能力やパネルヒータ１２の熱容量を考慮して温度センサ１８の検出値が修正目標温度近傍にある状態が他の状態に比べて頻度が高くなるようにプログラムされている。
【００３１】
パネルヒータ１２の放熱量が大きく、圧縮機４の速数が「３」の状態では温度センサ１８の検出値が下降する場合、コントローラ１９は比較手段２０の比較結果が「０」になれば圧縮機４の速数を１段上の「４」とする。圧縮機４の速数を「４」にした場合であっても、温度センサ１８の検出値が下降して比較手段２０の比較結果が「−２」になったときは、コントローラ１９は圧縮機４の速数を「５」に上昇させる。このように、パネルヒータ１２の放熱量が大きく、温度センサ１８の検出値が目標温度から徐々に下がっていく場合は、コントローラ１９は２℃下がる毎に圧縮機４の速数を１段上げるように制御している。
【００３２】
一方、圧縮機４の速数を「５」にした状態で温度センサ１８の検出値が上昇し、比較手段２０の比較結果が「−２」となった場合であっても、コントローラ１９は圧縮機４の速数を「４」にすることなく「５」の状態で圧縮機４の運転を継続する。即ち、コントローラ１９は、比較手段２０の比較結果が「−２」以上「２」未満の状態では、圧縮機４の速数を「５」に維持して圧縮機４の運転を行う。このように、本実施形態では、冷媒回路２による発熱量がパネルヒータ１２の放熱量を上回り、温度センサ１８の検出値が上昇する場合は、コントローラ１９は温度上昇に応じて圧縮機４の速数を下げるのではなく、温度センサ１８の検出値が目標温度に達するまで圧縮機４の速数を維持している。このような制御をすることにより、温度センサ１８の検出値を速やかに目標温度に上昇させることができる。
【００３３】
次に、本実施形態のヒートポンプ式温水器１を基準能力で運転中にパネルヒータ１２からの放熱量が少なくなった場合の制御について説明する。温度センサ１８の検出値が目標温度となっているときは、圧縮機４の速数は基準能力である「３」となっている。このような状態でパネルヒータ１２からの放熱量が少なくなったときは、温度センサ１８の検出値が徐々に上昇する。そして、温度センサ１８の検出値が標準温度よりも４℃上昇し、比較手段２０の結果が「４」となったときはコントローラ１９は圧縮機４の速数を「２」に低下させ、比較手段２０の結果が「６」になったときはコントローラ１９は圧縮機４の速数を「１」に低下させる。さらに温度センサ１８の検出値が上昇し比較手段２０の結果が「１２」となったときは、コントローラ１９は圧縮機４の運転を停止させる。尚、コントローラ１９は、温水回路３の循環ポンプ１１は作動させている。
【００３４】
この状態で、温度センサ１８の検出値が低下し標準温度よりも下がった場合であっても、コントローラ１９は圧縮機４の運転を再開せず、温度センサ１８の検出値が標準温度よりも８℃下がった時点で圧縮機４の速数を最大の「８」として運転を再開する。そして、コントローラ１９は、温度センサ１８の検出値が目標温度となるまで圧縮機４の速数を「８」に維持し、温度センサ１８の検出値が目標温度となったときは圧縮機４の速数を基準能力である「３」に切り替える。
【００３５】
このとき、比較手段２０による結果は「−８」であり補助ヒータ１６の作動開始温度である「−１０」よりも高いため、コントローラ１９は補助ヒータ１６を作動させない。これは、パネルヒータ１２の放熱量が少ない状態では、補助ヒータ１６を作動させなくても冷媒回路２のみの運転で十分に温水の温度を上昇させることができるためである。
【００３６】
次に、本実施形態のヒートポンプ式温水器１を基準能力で運転中にパネルヒータ１２からの放熱量が冷媒回路２の能力を上回った場合の制御について説明する。圧縮機４の速数を基準能力である「３」で運転している際にパネルヒータ１２の放熱量が増加したときは、温度センサ１８の検出値が徐々に下がっていく。このとき、コントローラ１９は、温度センサ１８の検出値が目標温度から２℃下がる毎に圧縮機４の速数を「１」ずつ上昇させる。パネルヒータ１２からの放熱量が冷媒回路２の能力を上回る場合は、温度センサ１８の検出値が標準温度よりも８℃以上下がり、圧縮機４の速数が最大の「８」となっている状態でも温度センサ１８の検出値がさらに下降する。そして、温度センサ１８の検出値が標準温度よりも１０℃以上下がり補助ヒータ１６の作動開始温度となったときは、コントローラ１９は補助ヒータ１６を作動させて温水回路３内の温水を加熱する。
【００３７】
このように、本実施形態においては、冷媒回路２のみでパネルヒータ１２の放熱量をまかなえるときは補助ヒータ１６を使用せず、冷媒回路２のみではパネルヒータ１２の放熱量をまかなえない場合にのみ補助ヒータ１６を使用している。冷媒回路２は補助ヒータ１６に比べてエネルギー効率がよいため、本実施形態のような制御を行うことで装置全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
【００３８】
尚、上記実施形態においては、熱負荷としてパネルヒータ１２を用いた例を説明したが、本発明のヒートポンプ式温水器は、これに限らず、温風暖房機に用いられるファンコンベクタや、給湯のための温水タンク等の各種の熱負荷に応用することができる。その際、目標温度を定める際に標準温度に付加される補正値（負の値も含む）や、基準能力である圧縮機４の速数を熱負荷の性質に応じて定めればよい。
【００３９】
また、上記実施形態においては、コントローラ１９は温度センサ１８の検出値の増減に応じて圧縮機４の回転数を段階的に変化させているが、段階的ではなく滑らかに変化させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施形態のヒートポンプ式温水器の構成を示す模式図。
【図２】本実施形態のヒートポンプ式温水器の作動を示す作動図。
【図３】従来のヒートポンプ式空調機の作動を示す作動図。
【符号の説明】
【００４１】
１…ヒートポンプ式温水器、２…冷媒回路、３…温水回路、４…圧縮機、５…凝縮器、６…電子膨張弁、７…蒸発器、１１…循環ポンプ、１２…パネルヒータ（熱負荷）、１３…供給口、１４…環流口、１８…温度センサ、１９…コントローラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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