(57)【要約】      （修正有）【課題】圧縮機の信頼性を確保するとともに立ち上げ時間を早くし、所定時間内で十分に沸き上げを完了することができるヒートポンプ給湯装置を提供する。【解決手段】圧縮機１１、給湯用熱交換器１２、及び蒸発器１４を接続したヒートポンプ回路１０と、前記熱交換器１２に貯湯タンク２０下部の水を供給し熱交換器１２で加熱された温水を貯湯タンク２０上部に注入する貯湯回路とを有し、前記圧縮機１１の運転周波数を可変としたヒートポンプ給湯装置であって、外気温度検出手段１０Ｄと、熱交換器１２に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段２０Ｄと、熱交換器１２から貯湯タンク２０に導かれる出湯温度を検出する出湯温度検出手段２０Ｅと、圧縮機１１の運転周波数を決定する周波数決定手段とを備え、周波数決定手段は、圧縮機１１の起動時の目標周波数を、外気温度と入水温度と出湯温度とを用いて決定する。【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、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路を有し、前記圧縮機の運転周波数を可変としたヒートポンプ給湯装置であって、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記給湯用熱交換器で熱交換された後の出湯温度を設定する目標出湯温度設定手段と、前記圧縮機の運転周波数を決定する周波数決定手段とを備え、前記周波数決定手段では、前記圧縮機の起動時の目標周波数を、前記目標出湯温度設定手段によって設定される目標出湯温度と、前記外気温度検出手段で検出される外気温度と、前記入水温度検出手段で検出される入水温度を用いて決定することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】
前記周波数決定手段では、前記外気温度が第１の設定温度以上で第２の設定温度以下の場合には、前記入水温度に応じて前記圧縮機の起動時の目標周波数を決定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装置。
【請求項３】
前記周波数決定手段では、前記外気温度が第１の設定温度以下の場合には、前記目標周波数を上昇させることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項４】
前記目標周波数を、前記外気温度に応じて上昇させることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項５】
前記周波数決定手段では、前記外気温度が第２の設定温度以上の場合には、前記目標周波数を低下させることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項６】
前記目標周波数を、前記外気温度に応じて低下させることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項７】
前記給湯用熱交換器に貯湯タンクの水を供給して前記給湯用熱交換器で加熱された温水を前記貯湯タンクに注入する貯湯回路と、前記給湯用熱交換器から前記貯湯タンクに導かれる出湯温度を検出する出湯温度検出手段とを有し、前記周波数決定手段では、前記出湯温度が設定温度以上の場合には、前記目標周波数を低下させることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項８】
前記目標周波数を、前記出湯温度に応じて低下させることを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路を有し、圧縮機の運転周波数を可変としたヒートポンプ給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から能力可変の圧縮機を用いたヒートポンプ給湯装置が提案されている。
そして、貯湯タンクの出湯能力を十分に生かすために、給湯用熱交換器に導かれる入水温度に応じて圧縮機の能力を可変とするとともに、外気温度によっても圧縮機の能力を変更することで、貯湯タンク内の湯を全て沸き上げることが提案されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１では、入水温度が高い場合には圧縮機の能力を下げることで圧縮機が早期に停止することを防止することができ、また外気温度が低い場合には圧縮機の能力を上げることで確実に沸き上げを行うことができる。
【特許文献１】特開２００２−４８４２０号公報（請求項１、請求項２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ヒートポンプ給湯装置は、ガスの燃焼熱を利用した給湯装置や電気ヒータを用いた給湯装置と比較して、立ち上がりに時間がかかってしまうという問題がある。
ヒートポンプ給湯装置の立ち上がりを早くするには、圧縮機の運転周波数を最高周波数として運転することが考えられるが、圧縮機の信頼性が低下してしまう。
従って、過負荷状態にならないように、圧縮機の運転周波数を決定する必要がある。
上記のように特許文献１では、入水温度と外気温度によって圧縮機の能力を決定するものではあるが、貯湯タンク内の湯を確実に沸き上げるための制御であり、圧縮機の起動時における制御ではない。
【０００４】
本発明は、圧縮機の信頼性を確保するとともに立ち上げ時間を早くすることで、決められた時間内で十分に沸き上げを完了することができるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路を有し、前記圧縮機の運転周波数を可変としたヒートポンプ給湯装置であって、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記給湯用熱交換器で熱交換された後の出湯温度を設定する目標出湯温度設定手段と、前記圧縮機の運転周波数を決定する周波数決定手段とを備え、前記周波数決定手段では、前記圧縮機の起動時の目標周波数を、前記目標出湯温度設定手段によって設定される目標出湯温度と、前記外気温度検出手段で検出される外気温度と、前記入水温度検出手段で検出される入水温度を用いて決定することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記周波数決定手段では、前記外気温度が第１の設定温度以上で第２の設定温度以下の場合には、前記入水温度に応じて前記圧縮機の起動時の目標周波数を決定することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記周波数決定手段では、前記外気温度が第１の設定温度以下の場合には、前記目標周波数を上昇させることを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項３に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記目標周波数を、前記外気温度に応じて上昇させることを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記周波数決定手段では、前記外気温度が第２の設定温度以上の場合には、前記目標周波数を低下させることを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項５に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記目標周波数を、前記外気温度に応じて低下させることを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記給湯用熱交換器に貯湯タンクの水を供給して前記給湯用熱交換器で加熱された温水を前記貯湯タンクに注入する貯湯回路と、前記給湯用熱交換器から前記貯湯タンクに導かれる出湯温度を検出する出湯温度検出手段とを有し、前記周波数決定手段では、前記出湯温度が設定温度以上の場合には、前記目標周波数を低下させることを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項７に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記目標周波数を、前記出湯温度に応じて低下させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、過負荷状態にならない最適な目標周波数を決定することができ、立ち上げ時間を短くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置は、外気温度を検出する外気温度検出手段と、給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段と、給湯用熱交換器で熱交換された後の出湯温度を設定する目標出湯温度設定手段と、圧縮機の運転周波数を決定する周波数決定手段とを備え、周波数決定手段では、圧縮機の起動時の目標周波数を、目標出湯温度設定手段によって設定される目標出湯温度と、外気温度検出手段で検出される外気温度と、入水温度検出手段で検出される入水温度を用いて決定するものである。本実施の形態によれば、外気温度、入水温度、及び目標出湯温度から起動時の目標周波数を決定するため、過負荷状態を確実に予測することができるので、過負荷状態にならない最適な目標周波数を決定することができ、高圧、液バック、高低圧差、オイルレベルなどによる圧縮機の信頼性を損なうことなく立ち上げ時間を短くすることができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、周波数決定手段では、外気温度が第１の設定温度以上で第２の設定温度以下の場合には、入水温度に応じて圧縮機の起動時の目標周波数を決定するものである。本実施の形態によれば、過負荷を生じない範囲の外気温度であれば、入水温度に応じて起動時の目標周波数を決定するため、入水負荷に応じた最適な周波数を目標周波数として決定することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、周波数決定手段では、外気温度が第１の設定温度以下の場合には、目標周波数を上昇させるものである。本実施の形態によれば、外気温度が低すぎる場合には、周波数を上昇させて能力不足を補い、立ち上げ時間を短くすることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、目標周波数を、外気温度に応じて上昇させるものである。本実施の形態によれば、外気温度が低い場合の能力上昇をきめ細かく設定することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第２の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、周波数決定手段では、外気温度が第２の設定温度以上の場合には、目標周波数を低下させるものである。本実施の形態によれば、外気温度が高い場合には、目標周波数を低下させることで過負荷状態を回避することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第５の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、目標周波数を、外気温度に応じて上昇させるものである。本実施の形態によれば、外気温度が高い場合の能力低下をきめ細かく設定することができる。
本発明の第７の実施の形態は、第２の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、周波数決定手段では、出湯温度が設定温度以上の場合には、目標周波数を低下させるものである。本実施の形態によれば、出湯温度が高い場合には、目標周波数を低下させることで過負荷状態を回避することができる。
本発明の第８の実施の形態は、第７の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、目標周波数を、出湯温度に応じて低下させるものである。本実施の形態によれば、出湯温度が高い場合の能力低下をきめ細かく設定することができる。
【実施例】
【０００８】
以下、本発明の一実施例によるヒートポンプ給湯装置について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施例によるヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。
まず、本実施例によるヒートポンプ給湯装置のヒートポンプ回路について説明する。
本実施例によるヒートポンプ回路１０は、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することが好ましい。
ヒートポンプ回路１０は、圧縮機１１、給湯用熱交換器１２、メイン膨張弁１３Ａ、キャピラリーチューブ１３Ｂ、及び蒸発器１４を順に配管で接続して構成されている。ヒートポンプ回路１０には、圧縮機１１の温度を検出する温度センサ１０Ａ、圧縮機１１からの吐出冷媒温度を検出する温度センサ１０Ｂ、圧縮機１１からの吐出冷媒圧力を検出する圧力センサ１０Ｃ、蒸発器１４の吸入空気を検出する温度センサ（外気温度検出手段）１０Ｄを備えている。ここで、温度センサ１０Ａはコールドスタートの検出を、圧力センサ１０Ｃは圧縮機１１又はヒートポンプ回路１０の異常検出を行う。
【０００９】
次に、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の貯湯回路について説明する。
貯湯タンク２０の底部配管２１は、流量調整弁３１を介して水道管等の水供給配管３２に接続されている。また貯湯タンク２０の底部配管２２は、循環ポンプ２３を介して給湯用熱交換器１２の水用配管１２Ａの流入側と接続されている。また、貯湯タンク２０の上部循環用配管２４は、水用配管１２Ａの流出側と接続されている。なお、本実施例による貯湯タンク２０は、積層式の貯湯タンクであり、タンク内での撹拌が防止され、上部に高温水が底部に低温水が蓄積されるように構成されている。
一方、貯湯タンク２０の上部出湯用配管３３は、混合弁３４に接続されている。また、貯湯タンク２０の底部配管２１から分岐させた出水用配管３５は、混合弁３４に接続されている。混合弁３４の流出側の出湯回路は、キッチン、又は洗面所等の給湯用の蛇口３６に接続されている。この出湯回路には、出湯量を検出する流量センサ３０Ａ、出湯温度を検出する温度センサ３０Ｂを備えている。
なお、貯湯タンク２０には、貯湯タンク２０内の湯量を検出するための複数の温度センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが設けられている。また、水用配管１２Ａの流入側配管には、貯湯タンク２０の底部配管２２から導出される入水温度を検出する温度センサ（入水温度検出手段）２０Ｄが設けられている。また、上部循環用配管２４には、水用配管１２Ａから導出される出湯温度を検出する温度センサ（出湯温度検出手段）２０Ｅが設けられている。      
【００１０】
以下、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の貯湯運転動作について説明する。
貯湯タンク２０内の温度センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃによって、貯湯タンク２０内の湯量が所定量以下となったことを検出すると、ヒートポンプ回路１０を動作させて貯湯運転を開始する。
ヒートポンプ回路１０では、圧縮機１１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器１２で放熱し、メイン膨張弁１３Ａ及びキャピラリーチューブ１３Ｂで減圧された後、蒸発器１４にて吸熱し、ガス状態で圧縮機１１に吸入される。
一方、循環ポンプ２３の運転により、貯湯タンク２０内の水は、底部配管２２を通って水用配管１２Ａに導かれ、水用配管１２Ａで加熱された温水は、上部循環用配管２４を通って貯湯タンク２０に戻される。
圧縮機１１での能力制御及び膨張弁１３での開度制御は、温度センサ１０Ｂで検出される冷媒吐出温度が、あらかじめ設定された温度を維持するように制御される。
【００１１】
次に、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の貯湯運転起動制御について図２から図４を用いて説明する。
圧縮機１１の起動から所定の時間は、起動時に設定した目標周波数にて運転を行う。目標周波数にて所定時間運転した後には、圧縮機１１からの吐出冷媒温度が所定の温度を維持するような通常運転モードに切り換える。なお、圧縮機１１の運転開始から目標周波数に到達するまでは、周波数を段階的に上昇させる起動制御を行う。
【００１２】
まず、起動時の周波数の決定制御機能を、図２を用いて説明する。
図２は、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の圧縮機起動時の周波数決定制御機能を示すブロック図である。
周波数決定手段４０は、規定周波数設定手段４１と入水負荷設定手段４２と外気負荷設定手段４３と出湯負荷設定手段４４を有している。規定周波数設定手段４１では、あらかじめ基準となる起動時の運転周波数を、目標出湯温度設定手段２０Ｒによって設定している。ここで、目標出湯温度設定手段２０Ｒはリモコンなどで設定する温度である。入水負荷設定手段４２では、入水温度によって複数の区間に区分し、それぞれの区分において増減する周波数を設定している。すなわち、この入水負荷設定手段４２では、入水温度が標準温度より高ければ規定周波数を減少させ、入水温度が標準温度より低ければ規定周波数を増加させるように設定している。外気負荷設定手段４３では、外気温度によって複数の区間に区分し、それぞれの区分において増減する周波数を設定している。例えば、この外気負荷設定手段４３では、第１の設定温度と第２の設定温度を設け、外気温度が第１の設定温度と第２の設定温度の間を標準温度として規定周波数に変更を加えず、第１の設定温度より低い温度では低負荷温度として規定周波数を増加させ、第２の設定温度より高い温度では高負荷温度として規定周波数を減少させるように設定している。出湯負荷設定手段４４では、出湯温度によって補正する周波数を設定している。すなわち、この出湯負荷設定手段４４では、出湯温度が設定値を超えると過負荷状態と判断して周波数を減少させる。なお、この出湯負荷設定手段４４において、所定の温度範囲を下回る場合には、圧縮機の能力不足と判断して周波数を増加させるように設定してもよい。
また、周波数決定手段４０は、入水負荷決定手段４５と外気負荷決定手段４６と基本周波数決定手段４７と出湯負荷補正決定手段４８とを有している。
【００１３】
入水負荷決定手段４５では、温度センサ（入水温度検出手段）２０Ｄで検出した入水温度と入水負荷設定手段４２で設定しているテーブルから入水負荷を決定する。外気負荷決定手段４６では、温度センサ（外気温度検出手段）１０Ｄで検出した外気温度と外気負荷設定手段４３で設定しているテーブルから外気負荷を決定する。
基本周波数決定手段４７では、規定周波数設定手段４１であらかじめ設定している運転周波数に、入水負荷決定手段４５と外気負荷決定手段４６で決定された負荷に応じた周波数を加減算することで基本周波数を決定する。
出湯負荷補正決定手段４８では、温度センサ（出湯温度検出手段）２０Ｅで検出した出湯温度が出湯負荷補正設定手段４４で設定している補正対象温度か否かが判断され、補正が必要である場合には補正周波数を決定する。
目標周波数決定手段４９では、基本周波数決定手段４７と出湯負荷補正決定手段４８によって目標周波数を決定する。この目標周波数決定手段４９で決定された目標周波数によって圧縮機起動制御手段５０が圧縮機１１を制御する。
【００１４】
図３は、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の圧縮機起動時の周波数決定の流れを示すフローチャートである。
圧縮機起動時には、まず目標出湯温度信号を受信するとともに、温度センサ（入水温度検出手段）２０Ｄで入水温度を、温度センサ（外気温度検出手段）１０Ｄで外気温度を、温度センサ（出湯温度検出手段）２０Ｅで出湯温度を、それぞれ検出する。
まずステップ１にて、受信した目標出湯温度信号に基づいて規定周波数を決定し、ステップ２にて、検出した入水温度から基本周波数を決定する。外気温度が第１の設定温度よりも低い場合（ステップ３）には、基本周波数を上昇させるように変更を行う（ステップ５）。また、外気温度が第２の設定温度よりも高い場合（ステップ４）には、基本周波数を低下させるように変更を行う（ステップ６）。
一方、出湯温度が設定温度よりも高い場合（ステップ７）には、基本周波数を低下させるように変更を行う（ステップ８）。
以上のようにして、圧縮機起動時の目標周波数が決定される。
【００１５】
図４は、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の圧縮機起動時の周波数を示すグラフである。
図４に示すように、外気温度が第１の設定温度と第２の設定温度との間の標準領域にある場合には、基本的には入水温度によって目標周波数が決定される。しかし、外気温度が第１の設定温度より低い低負荷領域では、外気温度の低下に応じて周波数を増加させるため、入水温度と外気温度によって目標周波数が決定される。また、外気温度が第２の設定温度より高い高負荷領域では、外気温度の上昇に応じて周波数を低下させるため、入水温度と外気温度によって目標周波数が決定される。
また、出湯温度が設定温度より高い場合には、目標周波数を低下させるように補正を行う。
なお、上記実施例では、貯湯タンクを有する場合で説明したが、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する、瞬間湯沸かし式のヒートポンプ給湯装置であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
以上のように、本発明は、ヒートポンプ給湯装置における貯湯タンクの沸き上げ運転の他、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する、瞬間湯沸かし運転にも適用でき、また本発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯機能の他に、例えば、浴槽給湯機能、暖房機能、乾燥機能を有する装置にも適している。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例によるヒートポンプ給湯装置の回路構成図
【図２】本実施例によるヒートポンプ給湯装置の圧縮機起動時の周波数決定制御機能を示すブロック図
【図３】本実施例によるヒートポンプ給湯装置の圧縮機起動時の周波数決定の流れを示すフローチャート
【図４】本実施例によるヒートポンプ給湯装置の圧縮機起動時の周波数を示すグラフ
【符号の説明】
【００１８】
１０    ヒートポンプ回路
１０Ｄ  温度センサ（外気温度検出手段）
１１    圧縮機
１２    回転子
１３Ａ  メイン膨張弁
１４    蒸発器
２０    貯湯タンク
２０Ｄ  温度センサ（入水温度検出手段）
２０Ｅ  温度センサ（出湯温度検出手段）
２２    底部配管
２４    上部循環用配管
４０    周波数決定手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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