(57)【要約】【課題】本発明は、簡素な構造で、外気の湿度に応じて加熱能力を調整することができるヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、圧縮機と、液冷媒熱交換器と、減圧装置と、空気から吸熱する蒸発器と、蒸発器での冷媒温度を検知する蒸発器温度センサーと、外気温度センサーと、前記圧縮機及び減圧装置を制御する運転制御手段とを備えるヒートポンプ給湯機において、外気温度と蒸発器での冷媒温度とに基づいて決定される外気の湿度に応じて加熱能力の調整を行うことを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、液冷媒熱交換器と、減圧装置と、空気から吸熱する蒸発器と、蒸発器での冷媒温度を検知する蒸発器温度センサーと、外気温度センサーと、前記圧縮機及び減圧装置を制御する運転制御手段とを備えるヒートポンプ給湯機において、
外気温度と蒸発器での冷媒温度とに基づいて決定される外気の湿度に応じて加熱能力の調整を行うことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
前記蒸発器での吸熱状態が安定してから、前記加熱能力の調整を行うことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項３】
前記蒸発器での吸熱状態が安定するまでの時間を予め保持しており、
前記時間の経過後に、前記加熱能力の調整を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項４】
前記圧縮機の回転数を補正することで前記加熱能力の調整を行うことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項５】
前記液冷媒熱交換器に流入する被加熱液体の量を調整する被加熱液体量調整手段を有し、
前記液冷媒熱交換器への被加熱液体の流入量を補正することで前記加熱能力の調整を行うことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の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、ヒートポンプを熱源として貯湯タンク内にお湯を蓄えるヒートポンプ給湯機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
深夜時間帯に外気の持つ熱量を吸収し、水を規定の温度まで加熱して湯を沸き上げて貯湯タンクで保存し、湯の使用時に貯湯タンクより出湯させる冷凍サイクルを用いた給湯機であるヒートポンプ給湯機がある。
【０００３】
前記ヒートポンプ給湯機は蒸発器，圧縮機，水冷媒熱交換器，減圧装置を備え、それらの閉回路内を冷媒が循環することで冷凍サイクルを構成し、前記蒸発器により冷媒が外気より熱を吸収し、その冷媒を前記圧縮機により圧縮して温度を上昇させ、高温になった冷媒の熱を前記水冷媒熱交換器で加熱対象である水に吸収させることで冷媒の温度を下げると共に湯を沸き上げ、前記減圧装置により冷媒圧力と冷媒温度を下げ、再び蒸発器に戻ることで冷媒が吸熱と放熱を繰り返し、湯を沸き上げている。
【０００４】
前記ヒートポンプ給湯機の冷凍サイクルにおける蒸発器内を冷媒が流動して外気から熱を吸収しており、外気が保持している熱量の吸収に加えて、外気が気体状態で含んでいる水分（湿度）が気体から液体になるときに放出する熱量（潜熱）をサイクル内を循環する冷媒に吸収させることで湯の沸き上げに必要な熱量を吸収している。
【０００５】
このため、外気の湿度が変化した場合に外気が気体状態で含んでいる水分から得る潜熱分の吸熱量の増減が発生するため、湯の加熱能力の過不足が生じる問題がある。加熱能力の過不足の例は図４に示すとおりであり、規定の湿度における湯の加熱能力を基準とした場合に、湿度が高くなると共に湯の加熱能力も高くなり、湿度が低くなると共に湯の加熱能力も低くなる。そして、加熱能力の過不足が発生すると、貯湯タンクの湯の保存量が不足することや、必要以上に湯を沸き上げることとなる。
【０００６】
前記の問題の対策として、流量センサーにより求めた前記水冷媒熱交換器に流入する水の流量と、温度センサーにより求めた前記水冷媒熱交換器の入口水温と出口湯温により必要な湯の加熱能力が出ているかを判断する方法（特許文献１）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３２７７２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１では、流量センサーが必要であり、構造が複雑になるという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、簡素な構造で、外気の湿度に応じて加熱能力を調整することができるヒートポンプ給湯機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】
【００１０】
本発明は、圧縮機と、液冷媒熱交換器と、減圧装置と、空気から吸熱する蒸発器と、蒸発器での冷媒温度を検知する蒸発器温度センサーと、外気温度センサーと、前記圧縮機及び減圧装置を制御する運転制御手段とを備えるヒートポンプ給湯機において、外気温度と蒸発器での冷媒温度とに基づいて決定される外気の湿度に応じて加熱能力の調整を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、本発明は、簡素な構造で、外気の湿度に応じて加熱能力を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るヒートポンプ給湯機の系統構成図である。
【図２】実施例１に係る制御フロー図である。
【図３】実施例２に係る制御フロー図である。
【図４】湿度と加熱能力との関係を示すグラフである。
【図５】外気温度と冷媒温度と湿度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に本発明のヒートポンプ給湯機の系統構成図を、図２と図３に運転時の制御フロー図を、図４に湿度の変化による加熱能力の変化を、図５に湿度の算出に外気温度と図１に示すサイクル内を流れる冷媒の温度と湿度の関係を示す。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ給湯機は、図面の左側に示す液冷媒熱交換器としての水冷媒熱交換器を含む冷媒サイクルを箱体内部に搭載したヒートポンプユニット１と、図面の右側に示す貯湯タンクを含めた給湯サイクルを箱体内部に搭載したタンクユニット２で構成され、ヒートポンプユニット１とタンクユニット２をヒートポンプ給湯機の施工現場にて接続配管３を使用して接続する構造となっている。
【００１５】
冷媒サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機４と、圧縮機４から吐出される高温・高圧の冷媒が、貯湯タンクより導いた水と熱交換する水冷媒熱交換器５と、水冷媒熱交換器５より流出された冷媒が減圧される減圧装置としての減圧弁６と、減圧弁６により減圧された低温・低圧の冷媒が、空気と熱交換する蒸発器７を冷媒配管を介して環状に接続される構成となっている。蒸発器７には、ファン８により外気が通風される構造となっている。
【００１６】
水サイクルは必要量の湯を貯える貯湯タンク９と、貯湯タンク９の底部の水が導かれる水循環ポンプ１０と、水循環ポンプ１０から吐出された水が冷媒と熱交換する水冷媒熱交換器５が循環配管により環状に接続される構成となっており、水冷媒熱交換器５より吐出された水は貯湯タンク９の頂部に戻される構造となっている。また貯湯タンク９の底部には給水配管１１を介して、図示していない水道などの給水源が接続され、頂部は使用場所に給湯する給湯配管１２が接続されている。
【００１７】
圧縮機４には、圧縮機の筐体温度を測定するための圧縮機温度センサー１３が設けられている。これにより、圧縮機から吐出される冷媒の温度（冷媒吐出温度）を検知することができる。なお、冷媒吐出温度は、冷媒の吐出配管に設けられる温度センサー検知するものであってもよい。ただし、冷媒吐出温度として圧縮機４の筐体温度を検知する方が、冷媒の吐出配管の温度を検知するよりも、冷媒温度の変動を低く抑えることができ、圧縮機４を制御しやすいというメリットを有する。
【００１８】
また、水冷媒熱交換器５の前後に設けてある水サイクル内の配管には、水冷媒熱交換器５に流入する水の温度を計測する水冷媒熱交換器入口水温度センサー１４と、水冷媒熱交換器５から流出する水の温度を計測する水冷媒熱交換器出口水温度センサー１５が設けられている。
【００１９】
以上のようなヒートポンプ給湯機において、以下の実施例１又は実施例２の制御を行うことで図４に示した湿度による加熱能力の過不足は補正され、必要な加熱能力となり、貯湯タンク内の湯が不足し、次の沸き上げ前になくなってしまうことを抑制できる。以下、ヒートポンプユニットの設計時に定めた基準湿度より低い湿度条件で湯の加熱能力が不足した場合のヒートポンプ給湯機の加熱能力補正の例を説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１におけるヒートポンプ給湯機では蒸発器７より外気から熱量を吸収することで沸き上げに必要な熱量を得ているが、湿度と基準湿度との差が大きくなると空気中の水分が気体から液体に変化する場合に放出する熱量（潜熱）が増減するため、加熱能力の過不足が発生し得る。
【００２１】
このため、図２の制御フローに従って制御を行うことにより加熱能力の低下もしくは過多を抑制できる。
【００２２】
沸き上げを開始するとき、目標温水温度，基準湿度，圧縮機目標温度，基準水循環ポンプ回転数を設定する（Ｓ１）。これらの設定値のうち目標温水温度は、例えば、６５℃や９０℃といった温度であり、任意に設定され得る値である。一方、基準湿度，圧縮機目標温度，基準水循環ポンプ回転数は、ヒートポンプ給湯機の想定加熱能力（例えば、４.５ｋＷや６.０ｋＷ）を実現するのに必要と考えられる値であり、外気温度や入水温度に応じて定められている。これらの設定値と外気温度や入水温度との関係は予めマップとして保持されている。なお、基準湿度は、例えば、夏は６９％、冬は８６％に設定される。
【００２３】
次に、圧縮機温度センサーから圧縮機温度を読み取り（Ｓ２）、Ｓ２で読み取った圧縮機温度とＳ１で設定した圧縮機目標温度を比較してその差が規定の範囲内で無ければ減圧弁開度を修正する（Ｓ３）。
【００２４】
水冷媒熱交換器の出口水温度センサーから出口水温度を読み取り（Ｓ４）、Ｓ４で読み取った出口水温度とＳ１設定した目標温水温度を比較してその差が規定の範囲内で無ければ圧縮機回転数を修正する（Ｓ５）。
【００２５】
ここで規定の時間が経過していなければＳ２に戻り、Ｓ２からＳ５の処理を規定の時間が経過するまで繰り返す（Ｓ６）。
【００２６】
なお、前記規定の時間は、冷凍サイクルが安定するまでの時間（延いては、蒸発器での吸熱状態が安定するまでの時間）に基づいて決定される。具体的には、運転を開始すると蒸発器の冷媒温度が低下し始めるが、この温度低下の程度が一定幅に収まるようになる時間を前記規定の時間としている。本実施例の給湯機では、蒸発器での吸熱状態が安定するまでの時間を予め求めておき、これをテーブルとして保持している。そして、冷凍サイクルが運転を開始した際にこのテーブルを参照して規定の時間を決定することとしている。
【００２７】
Ｓ６で規定時間に達している場合は蒸発器冷媒出口温度センサーから冷媒温度を読み取り（Ｓ７）、外気温度センサーから外気温度を読み取り（Ｓ８）、Ｓ７で読み取った冷媒温度とＳ８で読み取った外気温度と冷媒温度と外気温度と湿度の関係から湿度を求める（Ｓ９）。
【００２８】
外気温度と冷媒温度と湿度の関係は図５に示す。図５の関係を元にヒートポンプユニットは湿度を算出する。図５は外気温度と冷媒温度の２つの変数が分かれば湿度を求められることを示している。Ｓ９で求めた湿度とＳ１で設定した基準湿度を比較してその差が規定の範囲内で無ければＳ１で設定した基準ポンプ回転数を湿度と基準湿度の差に応じて補正を加え（Ｓ１０）、沸き上げ運転を継続する。なお、加熱能力を補正した後においても、Ｓ３に相当する減圧弁開度の修正、及び、Ｓ５に相当する圧縮機回転数の修正を行う。
【００２９】
以上の制御を行うことで、湿度の影響を推定して流量の修正を行えるため、加熱能力の修正を実施できるので、過不足のない加熱能力での運転を行うことができるようになり、貯湯タンク内の湯量が不足することを抑制し、最適な運転状態を実現できる。
【実施例２】
【００３０】
図１におけるヒートポンプ給湯機では蒸発器７より外気から熱量を吸収することで沸き上げに必要な熱量を得ているが、湿度が基準湿度と差が大きくなると空気中の水分が気体から液体に変化する場合に放出する熱量（潜熱）が増減するため、加熱能力の過不足が発生し得る。
【００３１】
このため、図３の制御フローに従って制御を行うことにより加熱能力の低下もしくは過多を抑制できる。
【００３２】
沸き上げを開始するとき、目標温水温度，基準湿度，圧縮機目標温度，圧縮機基準回転数を設定する（Ｓ１）。これらの設定値のうち目標温水温度は、例えば、６５℃や９０℃といった温度であり、任意に設定され得る値である。一方、基準湿度，圧縮機目標温度，基準水循環ポンプ回転数は、ヒートポンプ給湯機の想定加熱能力（例えば、４.５ｋＷや６.０ｋＷ）を実現するのに必要と考えられる値であり、外気温度や入水温度に応じて定められている。これらの設定値と外気温度や入水温度との関係は予めマップとして保持されている。なお、基準湿度は、例えば、夏は６９％、冬は８６％に設定される。
【００３３】
次に、圧縮機温度センサーから圧縮機温度を読み取り（Ｓ２）、Ｓ２で読み取った圧縮機温度とＳ１で設定した圧縮機目標温度を比較してその差が規定の範囲内で無ければ減圧弁開度を修正する（Ｓ３）。
【００３４】
水冷媒熱交換器出口水温度センサーから出口水温度を読み取り（Ｓ４）、Ｓ４で読み取った出口水温度とＳ１設定した目標温水温度を比較してその差が規定の範囲内で無ければ水循環ポンプ回転数を修正する（Ｓ５）。
【００３５】
ここで規定の時間が経過していなければＳ２に戻り、Ｓ２からＳ５の処理を規定の時間が経過するまで繰り返す（Ｓ６）。
【００３６】
なお、前記規定の時間は、冷凍サイクルが安定するまでの時間（延いては、蒸発器での吸熱状態が安定するまでの時間）に基づいて決定される。具体的には、運転を開始すると蒸発器の冷媒温度が低下し始めるが、この温度低下の程度が一定幅に収まるようになる時間を前記規定の時間としている。本実施例の給湯機では、蒸発器での吸熱状態が安定するまでの時間を予め求めておき、これをテーブルとして保持している。そして、冷凍サイクルが運転を開始した際にこのテーブルを参照して規定の時間を決定することとしている。
【００３７】
Ｓ６で規定時間に達している場合は蒸発器冷媒出口温度センサーから冷媒温度を読み取り（Ｓ７）、外気温度センサーから外気温度を読み取り（Ｓ８）、Ｓ７で読み取った冷媒温度とＳ８で読み取った外気温度と冷媒温度と外気温度と湿度の関係から湿度を求める（Ｓ９）。
【００３８】
外気温度と冷媒温度と湿度の関係は図５に示す。図５の関係を元にヒートポンプユニットは湿度を算出する。図５は外気温度と冷媒温度の２つの変数が分かれば湿度を求められることを示している。Ｓ９で求めた湿度とＳ１で設定した基準湿度を比較してその差が規定の範囲内で無ければＳ１で設定した圧縮機基準回転数を湿度と基準湿度の差に応じて補正を加え（Ｓ１０）、沸き上げ運転を継続する。なお、加熱能力を補正した後においても、Ｓ３に相当する減圧弁開度の修正、及び、Ｓ５に相当する圧縮機回転数の修正を行う。
【００３９】
以上の制御を行うことで、湿度の影響を推定して流量の修正を行えるため、加熱能力の修正を実施できるので、過不足のない加熱能力での運転を行うことができるようになり、貯湯タンク９内の湯量が不足することを抑制し、最適な運転状態を実現できる。従って、水の循環回路の流量を検知する流量センサーを用いることなく、簡素な構造で、外気の湿度に応じて加熱能力を調整することができる。また、流量センサーを用いる方法では、特に水循環流量が小さい領域では検出精度が低いという問題があるが、上記構成によれば、安定した加熱能力を精度よく確保できる。
【００４０】
なお、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
【００４１】
例えば、上記実施形態においては、蒸発器出口温度センサー１７で検知される蒸発器出口温度に基づいて制御を行う例について説明した。ここで、蒸発器での吸熱は主に冷媒の潜熱となるため、理論上、冷媒温度は蒸発器の位置に関らず一定である。従って、蒸発器温度を検知する位置は特定の位置に限定されない。従って、蒸発器入口冷媒温度センサー１６で検知される蒸発器出口温度に基づいて制御を行っても構わない。
【００４２】
また、上記実施形態においては、被加熱液体として水を例に説明したが、これに限定されるものではなく、被加熱液体は、水以外の液体（例えば、蓄熱液体等）であってもよい。このようなヒートポンプ給湯機としては、例えば、ヒートポンプで加熱された高温の液体をタンクに貯留しておき、この高温の液体を用いて給水を間接的に加熱して給湯する方式のものが考えられる。また、この場合には、上記水冷媒熱交換器は、液冷媒熱交換器と読み替えることができ、温水温度は、液体温度と読み替えることができる。
【００４３】
また、上記実施形態においては、ヒートポンプで加熱された高温の水をタンク内に貯留するヒートポンプ給湯機を例に説明したが、本発明は、ヒートポンプで加熱された高温の水をそのまま給湯端末に供給する方式のヒートポンプ給湯機にも適用可能である。
【００４４】
また、上記実施形態においては、タンクに貯留された水を水−冷媒熱交換器に導入して加熱するヒートポンプ給湯機を例に説明したが、本発明は、給水源からの水をそのまま水冷媒熱交換器に導入して加熱する方式のヒートポンプ給湯機にも適用可能である。
【００４５】
また、上記実施形態においては、貯湯タンク９を収容するタンクユニット２と、圧縮機４及び水冷媒熱交換器５を収容するヒートポンプユニット１とが別個に設けられるものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、タンクや圧縮機や液冷媒熱交換器が一つのユニット内に設けられるものであってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１  ヒートポンプユニット
２  タンクユニット
３  接続配管
４  圧縮機
５  水冷媒熱交換器
６  減圧弁
７  蒸発器
８  ファン
９  貯湯タンク
１０  水循環ポンプ
１１  給水配管
１２  給湯配管
１３  圧縮機温度センサー
１４  水冷媒熱交換器入口水温度センサー
１５  水冷媒熱交換器出口水温度センサー
１６  蒸発器入口温度センサー
１７  蒸発器出口温度センサー
１８  外気温度センサー
【図１】
2012167914.tif 000003
【図２】
2012167914.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012167914.tif 000006
【図５】
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