(57)【要約】【課題】ヒートポンプにより加熱される沸上湯温の変動を抑える。【解決手段】圧縮機１から吐出されるガス冷媒を水−冷媒熱交換器２に流通し、貯湯タンク１１から水−冷媒熱交換器に供給される低温水を沸上設定温度Ｔwo*に加熱して貯湯タンクに戻して貯留し、貯湯タンク内の湯を給湯するヒートポンプ給湯機において、外気温度Ｔaと、水−冷媒熱交換器に流入される入水温度Twiと、沸上設定温度Ｔwo*とに基づいて、予め設定された関数（式（１））に従って圧縮機の吐出ガス冷媒温度の目標値Ｔg*を定めるとともに（３１）、圧縮機のケーシング温度を温度センサ２６により検出し、ケーシング温度の検出値Ｔgを目標値に合わせるようにヒートポンプサイクルの膨張弁４の開度を制御する（３３，３４）。  【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−冷媒熱交換器で凝縮された液冷媒が通流される膨張弁と、該膨張弁で膨張された液冷媒を蒸発させて前記圧縮機に戻す蒸発器と、給水源から供給される水と給湯先に給湯する湯を貯える貯湯タンクと、該貯湯タンクから低温水を抜き出して前記水−冷媒熱交換器に流通させて前記貯湯タンクに戻す循環ポンプを有する循環路と、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、外気温度と前記水−冷媒熱交換器に流入される入水温度と前記沸上設定温度とに基づいて、予め設定された関数に従って前記圧縮機から吐出されるガス冷媒温度の目標値を定めるとともに、前記圧縮機のケーシング温度を温度センサにより検出し、該圧縮機のケーシング温度の検出値を前記目標値に合わせるように前記膨張弁の開度を制御するヒートポンプ給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ給湯機に係り、具体的には、ヒートポンプにより沸き上げる沸上湯温の制御に関する。
【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給湯機が知られている。このようなヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプサイクルの圧縮機により圧縮された高温のガス冷媒と、貯湯タンクの底部から抜き出した低温水とを熱交換させ、これにより貯湯タンク内の低温水を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。
【０００３】
特許文献１に記載のヒートポンプ給湯機においては、高温のガス冷媒と低温水とを熱交換させる水−冷媒熱交換器から出湯される湯温（沸上湯温）を目標値に制御するため、圧縮機から吐出されるガス冷媒の温度を沸上湯温目標値に応じた温度になるように、ヒートポンプサイクルの膨張弁開度を制御して加熱能力を制御するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４７６０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１によれば、圧縮機の吐出ガス冷媒の温度を冷媒配管に設けた温度センサにより検出していることから、圧縮機の吐出ガス冷媒の温度を精度よく検出でき、沸上湯温を目標値に応答性よく制御できるという利点がある。
【０００６】
しかしながら、ヒートポンプサイクルの構成機器の制御応答性、例えば膨張弁の開度制御の応答性によっては、吐出ガス冷媒の温度が変動する。そのため、冷媒配管で吐出ガス冷媒の温度を検出する方式によれば、応答性がよい反面、吐出ガス冷媒の温度変動に応じて沸上湯温が変動してしまうという問題がある。沸上湯温が変動した場合、最悪、沸上温度の変動から脱することができずに温度変動が継続して貯湯タンク内の貯湯の温度分布に不均一が生じ、目標とする温度の貯湯量が得られないおそれがある。
【０００７】
本発明は、ヒートポンプにより加熱される沸上湯温の変動を抑えることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、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−冷媒熱交換器で凝縮された液冷媒が通流される膨張弁と、該膨張弁で膨張された液冷媒を蒸発させて前記圧縮機に戻す蒸発器と、給水源から供給される水と給湯先に給湯する湯を貯える貯湯タンクと、該貯湯タンクから低温水を抜き出して前記水−冷媒熱交換器に流通させて前記貯湯タンクに戻す循環ポンプを有する循環路と、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たヒートポンプ給湯機を対象とする。
【０００９】
本発明の沸上湯温を制御する制御装置は、外気温度と前記水−冷媒熱交換器に流入される入水温度と前記沸上設定温度とに基づいて、予め設定された関数に従って前記圧縮機から吐出されるガス冷媒温度の目標値を定めるとともに、前記圧縮機のケーシング温度を温度センサにより検出し、該圧縮機のケーシング温度の検出値を前記目標値に合わせるように前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする。
【００１０】
すなわち、圧縮機の吐出ガス冷媒の温度を、吐出ガス配管よりも熱容量の大きい圧縮機のケーシング温度で検出することを特徴とする。これにより、ヒートポンプサイクルの制御の応答性に起因して吐出ガス冷媒の温度が変動しても、圧縮機のケーシング温度には直ちに反映されず、吐出ガス冷媒温度の平均的な温度を検出することになる。したがって、本発明によれば、吐出ガス冷媒温度に関連し、かつ変動が少ないケーシング温度に基づいて、膨張弁の開度を制御することになるから、吐出ガス冷媒の温度が変動しても沸上湯温の変動を抑制することができる。その結果、給湯温度の変動を抑えることができ、ユーザに不快感を与えることを防止できる。また、貯湯タンク内の貯湯温度分布を均一化でき、目標とする温度の貯湯量を確保することができる。
【００１１】
また、吐出ガス冷媒温度の目標値を算出する予め設定された関数は、外気温度と水−冷媒熱交換器に流入される入水温度と沸上設定温度から、圧縮機の消費電力が最小となるように、つまりヒートポンプサイクルの成績係数が最大となるように、吐出ガス冷媒温度の目標値を算出する関数が設定されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ヒートポンプにより加熱される沸上湯温の変動を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明のヒートポンプ給湯機の実施形態を説明する。
【００１４】
図１に、本発明のヒートポンプ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。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ給湯機は、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、同右側の貯湯タンク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。
【００１６】
貯湯タンク系は、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。
【００１７】
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、圧縮機１のケーシングの温度を計測する圧縮機温度センサ２６が設けられている。
【００１８】
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、沸き上げられた湯が貯湯タンク１１に貯えられる。
【００１９】
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は貯湯タンク１１から補給するようにしている。
【００２０】
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、沸上湯温、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ている。沸き上げるときは、圧縮機１の圧縮容量及び循環ポンプ１３を設定値に保持して運転し、水−冷媒熱交換器２から流出する沸上湯温が沸上設定温度になるように、膨張弁４の開度を制御している。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。
【００２１】
ここで、本発明の特徴に係る制御装置の実施形態について、図２を参照して説明する。図２において、演算器３１は、図示していない上位の制御系から沸き上げ指令３２が入力されると、外気温度センサ２３により計測された外気温度Ｔaと、入水温度センサ２５により計測された入水温度Ｔwiと、可変設定される沸上設定温度Ｔwo*を取込む。そして、次式（１）に基づいて、圧縮機１の吐出ガス冷媒温度の目標値Ｔg*を算出する。なお、同式において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ定数である。
【００２２】
Ｔg*＝Ａ・Ｔa＋Ｂ・Ｔwi＋Ｃ・Ｔwo*＋Ｄ                    （１）
演算器３１から出力される吐出ガス冷媒温度の目標値Ｔg*は減算器３３に入力され、圧縮機温度センサ２６により計測された圧縮機１のケーシング温度Ｔc（≒吐出ガス冷媒温度Ｔg）との差ΔＴgが求められる。このΔＴgは膨張弁４の開度を制御するコントローラ３４に入力される。コントローラ３４は、入力されるΔＴgを低減するように膨張弁４の開度を制御する。これにより、吐出ガス冷媒温度が目標値Ｔg*に制御され、水−冷媒熱交換器２から流出される湯の温度が沸上設定温度Ｔwo*に制御される。
【００２３】
ここで、（１）式の関数について説明する。ヒートポンプサイクルは、図３のモリエルのサイクル線図４１、４２、４３に例示するように、消費電力が低い効率的な運転を行う場合、最適なヒートポンプサイクル条件は、外気温度Ｔa、沸上設定温度Ｔwo*、入水温度Ｔwiの各条件により異なる。効率的な沸き上げ運転を行うためには、最適な冷凍サイクル条件に近づける必要があり、吐出ガス冷媒温度Ｔgを制御する必要がある。
【００２４】
そこで、吐出ガス冷媒温度Ｔgの制御は、外気温度Ｔa、沸上設定温度Ｔwo*、入水温度Ｔwiの各値より、吐出ガス冷媒温度の目標値Ｔg*を算出する（１）式の関数を用意する。そして、ヒートポンプサイクルの特性データを考慮し、圧縮機の消費電力が最小となる条件で、（１）式を重回帰分析手法により統計的に処理して、定数Ａ〜Ｄを設定する。運用時には、（１）式に基づいて目標値Ｔg*を求め、その目標値Ｔg*に吐出ガス冷媒温度Ｔgを制御することにより、最適なヒートポンプサイクル条件（成績係数が最大）により沸き上げ運転をすることができる。また、制御を簡素化するために、（１）式のように、予め設定する関数は一次式とすることが望ましい。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態によれば、圧縮機の吐出ガス冷媒温度を、吐出ガス配管よりも熱容量の大きい圧縮機のケーシング温度で検出しているから、ヒートポンプサイクルの制御の応答性に起因して吐出ガス冷媒の温度が変動しても、圧縮機のケーシング温度には直ちに反映されず、吐出ガス冷媒温度の平均的な温度を検出することができる。したがって、吐出ガス冷媒温度の平均的な温度に基づいて、膨張弁の開度を制御することになるから、吐出ガス冷媒の温度が変動しても沸上湯温の変動を抑制することができる。その結果、出湯温度の変動を効果的に抑えることができるので貯湯タンク内の貯湯温度分布を均一化でき、目標とする温度の貯湯量を確保することができる。
さらに、瞬間給湯を行う給湯システムの場合には給湯温度の変動によりユーザに不快感を与えることを防止できる効果もある。
【００２６】
また、本実施形態の沸き上げ制御を、異なる方式の沸き上げ制御と独立に設けることができる。異なる方式の沸き上げ制御としては、水−冷媒熱交換器２による加熱量を設定しておき、水−熱交換器２に循環する低温水の流量を循環ポンプ１３により制御して、沸上湯温を目標値に制御する方式がある。さらに、水−冷媒熱交換器２から流出される沸上湯温を検出し、その検出値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制御する方式がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態のヒートポンプ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】本発明の圧縮機の吐出ガス冷媒温度の目標値の設定法の考え方を説明する図である。
【符号の説明】
【００２８】
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  外気温度センサ
２５  入水温度センサ
２６  圧縮機温度センサ
３１  演算器
３３  減算器
３４  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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