(57)【要約】【課題】沸き上げ時におけるガス冷媒温度又は圧力の異常上昇によって、圧縮機が保護停止されるのを回避する。【解決手段】貯湯タンク１１の底部の水を循環ポンプ１３により抜き出して、ヒートポンプサイクルに設けられる水−冷媒熱交換器２によって加熱して貯湯タンクの上部に戻す沸上循環路と、水−冷媒熱交換器から出湯される湯温を沸上設定温度に制御する制御装置を備え、制御装置は、水−冷媒熱交換器における目標加熱能力値Q*と沸上設定温度Two*と水−冷媒熱交換器の流入水の検出温度Twiとに基づいて、沸上循環路における循環流量の目標値Fw*を定め（３１）、循環ポンプ１３を制御して循環流量の検出値Fwを目標値Fw*に制御することにより、ガス冷媒温度又は圧力の異常上昇を回避する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出されるガス冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、該水−冷媒熱交換器から膨張弁を介して流入される液冷媒を蒸発させて前記圧縮機に戻す蒸発器と、給水源に連通された貯湯タンクと、該貯湯タンクの水を循環ポンプにより抜き出して前記水−冷媒熱交換器に流通させて前記貯湯タンクに戻す循環路と、前記水−冷媒熱交換器により加熱される湯温を沸上設定温度に制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記水−冷媒熱交換器における加熱能力と前記沸上設定温度と前記水−冷媒熱交換器の流入水の検出温度とに基づいて、前記循環路における循環流量の目標値を定めるとともに、前記循環路における循環流量を流量センサにより検出し、該循環流量の検出値を前記目標値に合わせるように前記循環ポンプを制御するヒートポンプ式給湯機。
【請求項２】
冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出されるガス冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、該水−冷媒熱交換器から膨張弁を介して流入される液冷媒を蒸発させて前記圧縮機に戻す蒸発器と、給水源に連通された貯湯タンクと、該貯湯タンクの水を循環ポンプにより抜き出して前記水−冷媒熱交換器に流通させて前記貯湯タンクに戻す循環路と、前記水−冷媒熱交換器により加熱される湯温を沸上設定温度に制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記水−冷媒熱交換器により加熱された湯温を温度センサにより検出し、該検出温度を前記沸上設定温度に合わせるように前記圧縮機の圧縮容量を制御するヒートポンプ式給湯機。
【請求項３】
冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出されるガス冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、該水−冷媒熱交換器から膨張弁を介して流入される液冷媒を蒸発させて前記圧縮機に戻す蒸発器と、給水源に連通された貯湯タンクと、該貯湯タンクの水を循環ポンプにより抜き出して前記水−冷媒熱交換器に流通させて前記貯湯タンクに戻す循環路と、前記水−冷媒熱交換器により加熱される湯温を沸上設定温度に制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記水−冷媒熱交換器における加熱能力と前記沸上設定温度と前記水−冷媒熱交換器の流入水の検出温度とに基づいて、前記循環路における循環流量の目標値を定めるとともに、前記循環路における循環流量を流量センサにより検出し、該循環流量の検出値を前記目標値に合わせるように前記循環ポンプを制御する第１の手段と、
前記水−冷媒熱交換器により加熱された湯温を温度センサにより検出し、該検出温度を前記沸上設定温度に合わせるように前記圧縮機の圧縮容量を制御する第２の手段とを備えてなるヒートポンプ式給湯機。
【請求項４】
請求項1乃至3のいずれか1項に記載のヒートポンプ式給湯機において、
前記制御装置は、前記蒸発器に外気を流通させるファンの回転数を外気温と前記圧縮機の回転数に応じて可変制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式給湯機に係り、具体的には、深夜電力等を利用して所望温度の湯を貯湯タンクに貯える技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
深夜電力等を利用してヒートポンプサイクルを駆動し、低温水を加熱して所望温度の湯を貯湯タンクに貯える沸上機能を備えたヒートポンプ式給湯機が知られている（例えば、特許文献１）。このようなヒートポンプ給湯機は、貯湯タンクの底部から抜き出した低温水を、ヒートポンプサイクルに設けられた水−冷媒熱交換器に流通し、設定温度に沸き上げて貯湯タンクの上部に戻すように構成されている。これにより、貯湯タンク内に必要量の所望温度の湯を確保することができる。
【０００３】
このようなヒートポンプ式給湯機においては、一般に、所定の時間で沸き上げることができるように、ヒートポンプの最大加熱能力を計画するようにしている。また、低温水を水−冷媒熱交換器に１回通すことにより所望の温度に沸き上げることを前提として計画されている。そのため、特許文献1に記載の沸上制御によれば、水−冷媒熱交換器に流入される低温水の温度を検出して、その低温水を所望の沸上設定温度まで加熱するのに必要な熱量を算出し、ヒートポンプの加熱能力によって沸上設定温度まで加熱可能な低温水の循環流量を算出する。そして、低温水を貯湯タンクの底部から抜き出して水−冷媒熱交換器に流入させる循環ポンプの回転数を制御して、目標の循環流量に制御するようにしている。また、特許文献１によれば、ヒートポンプの加熱能力は、外気温により変動することから、外気温により循環流量を補正制御するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２２２３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、沸上循環路を形成する循環配管は、貯湯タンクと水−冷媒熱交換器との間の距離に応じて長さが異なってくる。また、配管の経路によって曲がりの数が異なってくる。そのため、ヒートポンプ式給湯機の設置状況に応じて、沸上循環路の圧力損失の値がそれぞれ異なる。
【０００６】
したがって、特許文献１に記載のように、循環ポンプの回転数で循環流量を制御する方式の場合、沸上循環路の圧力損失に応じてポンプ回転数に対応するポンプ流量が変わってしまうから、目標の循環流量に制御できないという問題がある。例えば、目標の循環流量よりも実際の循環流量が少ないと、ヒートポンプサイクルの熱バランスがくずれ、圧縮機から吐出されるガス冷媒温度及び圧力が異常上昇し、圧縮機を保護するために停止機能が自動的に働いてしまうおそれがある。また、ヒートポンプの運転が正常に行えたとしても、目標の循環流量よりも少ないため、沸上運転時間が長くなるおそれがある。逆に、目標の循環流量よりも実際の循環流量が多いと、水−冷媒熱交換器における加熱量が不足し、沸上設定温度に達しない湯が貯湯されてしまい、顧客の要求を満たさなくなるおそれがある。
【０００７】
そこで、実際の沸上循環路の圧力損失に合わせて、循環ポンプの回転数に対応するポンプ流量の制御データを変更することも考えられるが、制御装置の標準化が阻害されることになる。特に、経年変化によって沸上循環路の配管内に水垢などが蓄積して圧損が変化することがあるが、このような場合は制御データを変更することは実質的に困難である。
【０００８】
本発明は、沸き上げ制御時におけるガス冷媒温度又は圧力の異常上昇によって圧縮機が保護停止されるのを回避することができる沸上制御を実現することを第１の課題とする。
【０００９】
また、上記課題に加えて、沸上運転時間を所定の時間に保つことを第２の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出されるガス冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、該水−冷媒熱交換器から膨張弁を介して流入される液冷媒を蒸発させて前記圧縮機に戻す蒸発器と、給水源に連通された貯湯タンクと、該貯湯タンクの水を循環ポンプにより抜き出して前記水−冷媒熱交換器に流通させて前記貯湯タンクに戻す循環路と、前記水−冷媒熱交換器により加熱される湯温を沸上設定温度に制御する制御装置を備えてなるヒートポンプ式給湯機を対象とする。
【００１１】
上記第１の課題を解決する本発明の第１の態様の制御装置は、前記水−冷媒熱交換器における加熱能力と前記沸上設定温度と前記水−冷媒熱交換器の流入水の検出温度とに基づいて、前記循環路における循環流量の目標値を定めるとともに、前記循環路における循環流量を流量センサにより検出し、該循環流量の検出値を前記目標値に合わせるように前記循環ポンプを制御することを特徴とする。
【００１２】
すなわち、流量センサにより検出された循環流量の検出値を目標値に合わせるように循環ポンプをフィードバック制御するようにしたことから、沸上循環路の圧力損失の如何にかかわらず、目標の循環流量を流すことができる。その結果、沸き上げ制御時におけるガス冷媒温度又は圧力の異常上昇を回避でき、圧縮機が保護停止されるのを防止できる。
【００１３】
また、水−冷媒熱交換器における加熱能力を計画値に保持できるから、沸上時間が計画以上に長くなることを回避でき、深夜電力を利用できる時間内で必要な温度の貯湯量を確保することができる。さらにまた、実際の沸上循環路の圧力損失に合わせて、循環ポンプの回転数に対応するポンプ流量の制御データを変更する必要がないので、制御装置の標準化を維持できる。なお、圧縮機の圧縮容量を外気温等の外環境の変化全てに対応させることが困難な場合があり、この場合は、沸上湯温が一定の限度において安定しない等の問題が発生する。
【００１４】
上記第１の課題を解決する本発明の第２の態様の制御装置は、前記水−冷媒熱交換器により加熱された湯温を温度センサにより検出し、該検出温度を前記沸上設定温度に合わせるように前記圧縮機の圧縮容量を制御することを特徴とする。
【００１５】
すなわち、水−冷媒熱交換器により加熱された湯の検出温度を沸上設定温度に一致させるように、圧縮機の圧縮容量をフィードバック制御して加熱能力を制御するようにしたことから、沸上循環路の圧力損失及び循環流量にかかわらず湯温を沸上設定温度に制御できる。その結果、第１の態様と同様に、沸き上げ制御時におけるガス冷媒温度又は圧力の異常上昇を回避でき、圧縮機が保護停止されるのを防止できる。
【００１６】
また、第２の態様の場合は、水−冷媒熱交換器により加熱された湯温を検出する温度センサのみを設ければよいから、外気温センサ、水−冷媒熱交換器の流入水の温度センサ及び循環水量の流量センサが必要な第１の態様に比べて、センサの数を少なくできる。しかし、湯温が沸上設定温度を超える場合に、圧縮機の圧縮容量が減少されるから、加熱能力が計画値よりも下がり、沸上時間が計画以上に長くなる問題が発生する場合がある。このような場合、循環ポンプに容量の余裕があれば、回転数の設定値を変更することにより対応することができる。
【００１７】
上記第２の課題を解決するため、本発明の第３の態様は、第１と第２の態様の制御装置を双方備えることを特徴とする。これにより、第１と第２の態様それぞれの制御装置が抱える問題を回避することが可能となり、沸き上げ制御時におけるガス冷媒温度又は圧力の異常上昇を回避でき、圧縮機が保護停止されるのを防止することが可能で、かつ沸上温度の低下や、沸上時間が計画以上に長くなることがないヒートポンプ式給湯機を提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、沸き上げ制御時におけるガス冷媒温度又は圧力の異常上昇によって圧縮機が保護停止されるのを回避することができる。
【００１９】
また、本発明の他の発明によれば、上記の効果に加えて、沸上運転時間を所定の時間に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明のヒートポンプ式給湯機の実施形態を説明する。
【００２１】
（実施形態１）
図１に、本発明のヒートポンプ式給湯機の一実施形態の系統構成図を示し、図２に、本発明の特徴部である制御装置のブロック構成図を示す。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ式給湯機は、水−冷媒熱交換器２を介して、図面の左側のヒートポンプサイクルと、同右側の給湯系が連結されている。ヒートポンプサイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１から吐出されるガス冷媒が冷媒配管３を介して流通される伝熱管２ａを有する水−冷媒熱交換器２と、伝熱管２ａから流出される液冷媒が冷媒配管６と膨張弁４を介して流入される蒸発器５と、蒸発器５から流出されるガス冷媒を圧縮機１に戻す冷媒配管７とを備えて形成されている。蒸発器５には、ファン８により外気が通風されるようになっている。
【００２３】
給湯系は、必要量の湯を貯える貯湯タンク１１と、貯湯タンク１１の底部に配管１２を介して連通された循環ポンプ１３と、循環ポンプ１３から吐出される水を水−冷媒熱交換器２の伝熱管２ｂに導く循環配管１４と、伝熱管２ｂから流出される湯を貯湯タンク１１の頂部に戻す循環配管１５を備えて形成されている。また、貯湯タンク１１の底部には給水配管１６を介して、図示していない水道などの給水源が接続され、頂部には使用場所に給湯する給湯配管１７が接続されている。
【００２４】
蒸発器５の近傍には、外気温度を計測する外気温度センサ２３が設けられている。循環配管１４には、水−冷媒熱交換器２の伝熱管２ｂに流入する水の温度を計測する入水温度センサ２５が設けられている。さらに、循環ポンプ１３の吐出側の循環配管１４には、沸き上げ循環流量を計測する流量センサ２７が設けられている。
【００２５】
このように構成される本実施形態の基本動作について説明する。まず、給水配管１６から貯湯タンク１１及び循環配管１２、循環配管１４、伝熱管２ｂ、循環配管１５からなる循環路に水を張る。次いで、循環ポンプ１３を駆動して循環路を介して貯湯タンク１１内の水を循環するとともに、圧縮機１を駆動してヒートポンプサイクルを立ち上げる。圧縮機１を駆動すると、圧縮された高温のガス冷媒が図中矢印２４に示す方向に流れ、水−冷媒熱交換器２の伝熱管２aに導入される。伝熱管２aに導入された高温のガス冷媒は伝熱管２ｂを流通する水を加熱して凝縮する。伝熱管２a内で凝縮した液冷媒は、膨張弁４に導かれて断熱膨張されて蒸発器５に流入される。蒸発器５に流入された液冷媒は、ファン８により通流される外気の熱により加熱されて蒸発して圧縮機１に戻され、上述のヒートポンプサイクルが継続して行われる。これにより、循環路を循環される水が水−冷媒熱交換器２の伝熱管２ｂで加熱され、沸き上げられ湯が貯湯タンク１１に貯えられる。
【００２６】
次に、沸き上げ制御の概要について説明する。まず、１日の湯の使用量は時間帯によって変動し、昼間と夜間と深夜に分けると、深夜の使用量は一般に少ない。そこで、ヒートポンプサイクルの負荷を平均化するため、例えば深夜等の給湯量が少ない時間帯に沸き上げて貯湯タンク１１に貯えておき、昼間や夜間における給湯負荷が多いときに貯湯タンク１１から給湯するようにしている。
【００２７】
また、給湯される湯の使用態様は、水を混合して温度調節して使用するなど、様々である。したがって、湯の使用態様及び使用量に応じて、沸き上げ湯温、貯湯タンクの容量（貯湯量）、沸き上げ時間、及びヒートポンプの加熱能力などの設計仕様を決める。そして、沸き上げるときは、圧縮機１の圧縮容量を設定値に保持して運転し、水−冷媒熱交換器２から流出する湯温が沸上設定温度になるように、循環ポンプ１３の回転数を制御して沸き上げ循環流量を制御している。また、給湯使用時には、貯湯タンク１１内の湯温及び貯湯量を監視し、必要に応じて圧縮機１及び循環ポンプ１３を運転して、沸き上げ時と同様の沸き増しを行うようにしている。
【００２８】
ここで、本発明の特徴に係る本実施形態の制御装置について、図２を参照して説明する。図２において、演算器３１は、沸き上げ制御の開始指令３２が入力されると、ヒートポンプの目標加熱能力値（例えば、最大加熱能力）Ｑ*と、入水温度センサ２５により計測された入水温度の検出値Ｔwiと、可変設定される沸上設定温度Ｔwo*を取込む。なお、目標加熱能力値Ｑ*は、予め設定された単位時間当たりのヒートポンプの加熱能力の設定値と、外気温センサ２３により計測された外気温度Ｔａに基づいて、図示していない演算器により算出される。演算器３１は、これらの入力情報に基づいて、次式（１）により、沸き上げの循環流量の目標値Ｆw*を算出する。なお、同式において、ｋは定数である。
【００２９】
Ｆｗ*＝ｋ・Ｑ*／（Ｔwo*―Ｔwi）                      （１）
演算器３１から出力される循環流量の目標値Ｆw*は減算器３３に入力され、流量センサ２７により計測された循環流量の検出値Ｆwとの差ΔＦwが求められる。このΔＦwは循環ポンプ１３の回転数を制御するモータ制御装置３４に入力される。モータ制御装置３４は、入力されるΔＦwを低減するように循環ポンプ１３の回転数を制御する。これにより、循環ポンプ１３の吐出量が制御され、水−冷媒熱交換器２に流通される低温水の流量が、循環流量の目標値Ｆｗ*に制御される。なお、モータ制御装置３４は、循環ポンプ１３を駆動するモータが、例えば、直流モータの場合は、そのモータに供給する直流電圧を制御して循環ポンプ１３の回転数を制御するように構成できる。
【００３０】
つまり、図２の制御装置は、水−冷媒熱交換器２における加熱能力と、沸上設定温度と、水−冷媒熱交換器の流入水の検出温度とに基づいて、沸上循環路における循環流量の目標値を定め、循環ポンプ１３を制御して、沸上循環路における循環流量の検出値を目標値に制御するようになっている。
【００３１】
本実施形態によれば、沸上循環路に流量センサ２７を設け、循環流量の目標値に応じて循環ポンプの流量をフィードバック制御しているから、沸上循環路の圧力損失の如何にかかわらず、目標の循環流量を流すことができる。その結果、沸き上げ時において、循環路の圧力損失に起因してヒートポンプサイクルの熱バランスが崩れて、圧縮機１に吸入されるガス冷媒の温度が異常上昇し、あるいはガス冷媒の圧力が異常上昇する不都合を回避できる。一般に、ガス冷媒の温度あるいは圧力が異常に上昇した場合は、圧縮機１を停止して保護するようにしているが、本実施形態によれば、そのような保護動作を回避できる。
【００３２】
また、本実施形態によれば、圧縮機の圧縮容量を設定値に保持しているから、加熱能力を計画値に保持でき、沸上時間が計画以上に長くなることを回避でき、深夜電力を利用できる時間内で必要な温度の貯湯量を確保することができる。
【００３３】
さらに、実際の沸上循環路の圧力損失に合わせて、循環ポンプの回転数に対応するポンプ流量の制御データを変更する必要がないので、制御装置の標準化を維持できる。なお、本実施形態によれば、圧縮機１の圧縮容量を外気温等の外環境の変化全てに対応させることが困難な場合がある。この場合は、沸上湯温が一定の限度において安定しない等の問題が発生する場合がある。
【００３４】
（実施形態２）
図３に、本実施形態のヒートポンプ式給湯機の系統構成図を示し、図３に本実施形態の制御装置の主要部のブロック構成図を示す。本実施形態が実施形態１と異なる点は、伝熱管２ｂから流出される出湯温度センサ２６が循環配管１５に設けられていること、及び流量センサ２７が設けられていないことにある。その他は、実施形態１と同一であることから同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態の制御装置の特徴は、沸上循環路の循環流量の制御に代えて、圧縮機１の圧縮量を制御して、出湯温度センサ２６の検出温度を沸上設定温度に保持するようにしたことにある。
【００３５】
すなわち、図４に示すように、制御装置は、可変設定される沸上設定温度Ｔwo*を取込むとともに、出湯温度センサ２６の検出温度Twoを取込み、減算器４１においてそれらの温度差ΔＴwo（＝Ｔwo*−Two）を求め、その温度差ΔＴwoをモータ制御装置４２に出力するようになっている。モータ制御装置４２は、その温度差ΔＴwoを低減するように圧縮機１の回転数を制御して、圧縮容量を制御することによってヒートポンプの加熱能力を制御するようになっている。ここで、モータ制御装置４２は、圧縮機１を駆動するモータが、例えば、交流モータの場合はそのモータに供給する交流電圧の周波数を制御して圧縮機１の回転数を制御するインバータを有して構成することができる。
【００３６】
このように構成されることから、本実施形態の制御装置によれば、循環配管の圧力損失の違いなどによって計画の循環流量が流れない場合であっても、ヒートポンプの加熱能力を下げることによって、ヒートポンプサイクルの熱バランスをとることができる。その結果、圧縮機１に吸入されるガス冷媒の温度が異常上昇し、あるいはガス冷媒の圧力が異常上昇する不都合を回避できるから、保護動作による圧縮機の停止を回避できる。
【００３７】
また、本実施形態のセンサは、出湯温度センサ２６のみであるから、外気温センサ２３、入水温度センサ２５、及び流量センサ２７が必要な実施形態１に比べて、センサの数を少なくできる。
【００３８】
なお、本実施形態によれば、湯温が沸上設定温度を超えると圧縮機１の圧縮容量が減少されるから、加熱能力が計画値よりも下がり、沸上時間が計画以上に長くなる問題が発生する。この場合、循環ポンプ１３のポンプ容量に余裕があれば、回転数の設定値を変更することにより対応することができる。
【００３９】
（実施形態３）
ここで、実施形態１と実施形態２の沸き上げ制御の双方を備えた、本発明の実施形態について説明する。実施形態１によれば、圧縮機１の圧縮容量を外気温等の外環境の変化全てに対応させることが困難な場合がある。この場合は、一定の限度において沸上湯温が安定しない等の問題が発生する。一方、実施形態２によれば、湯温が沸上設定温度を超えると圧縮機の圧縮容量が減少されるから、加熱能力が計画値よりも下がり、沸上時間が計画以上に長くなる問題が発生する。
【００４０】
本実施形態によれば、実施形態１で述べた圧縮機の圧縮容量の設定値を保持する必要がなくなり、かつ循環配管の違い等によって計画循環流量を得ることができる。
【００４１】
（実施形態４）
図５に本発明の制御装置の他の実施形態のブロック図を示す。本実施形態は前述の実施形態１、２の制御装置に加えて、独立に設けられるものである。図示のように、本実施形態の制御装置は、演算器５１を備え、入力されるファンの運転指令５２によりファン８の運転を開始するとともに、外気温の検出値Ｔaと圧縮機１の回転数Ｎｃに応じてファン８の回転数指令Ｎｆを決定し、回転数指令Ｎｆをモータ制御装置５３に出力するようになっている。モータ制御装置５３は、例えば直流モータにより駆動されるファン８に供給する電圧を、回転数指令Ｎｆに合わせて変えて、ファン８の回転数を制御するようになっている。このように構成されることから、本実施形態によれば、沸上温度の変化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯機の系統構成図である。
【図２】本発明の特徴に係る制御装置の一実施形態のブロック構成図である。
【図３】本発明の他の実施形態のヒートポンプ式給湯機の系統構成図である。
【図４】本発明の特徴に係る制御装置の他の実施形態のブロック構成図である。
【図５】本発明の特徴に係る制御装置のさらに他の実施形態のブロック構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  圧縮機
２  水−冷媒熱交換器
４  膨張弁
５  蒸発器
１１  貯湯タンク
１３  循環ポンプ
２３  外気温センサ
２５  入水温度センサ
２７  流量センサ
３１、５１  演算器
３３、４１  減算器
３４、４２，５３  モータ制御装置
４２  モータ制御装置
【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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