(57)【要約】【課題】沸き上げがある程度進んだときにも沸き上げ能力を低下させず、短時間で沸き上げできるヒートポンプ給湯機を提供する。【解決手段】冷媒水熱交換器に流入する水の温度である入口温度を検出し、当該入口温度の現在値と予め設定した期間における当該入口温度の平均値との差が予め設定した温度差閾値以上である場合における膨張弁の開度を、当該入口温度の現在値と当該入口温度の平均値との差が当該温度差閾値未満である場合における膨張弁の開度よりも小さくする。【選択図】図１
2016057003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、冷媒水熱交換器、膨張弁及び空気冷媒熱交換器が環状に接続された冷媒回路を有し、前記冷媒水熱交換器により水を加熱して温水を生成するヒートポンプと、
前記ヒートポンプにより加熱された温水を貯留する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクと前記冷媒水熱交換器との間で湯水を循環させる送水ポンプと、
前記冷媒水熱交換器に流入する水の温度である入口温度を検出する入口温度検出部と、を備え、
前記入口温度の現在値と予め設定した期間における前記入口温度の平均値との差が予め設定した温度差閾値以上である場合における前記膨張弁の開度を、前記入口温度の現在値と前記入口温度の平均値との差が前記温度差閾値未満である場合における前記膨張弁の開度よりも小さくする開度変更手段を含むことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
前記開度変更手段は、一定期間内における前記入口温度の変化量が予め設定した変化量閾値以上である状態が予め設定した期間以上続いた場合に前記膨張弁の開度を小さく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機。
【請求項３】
前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度サーミスタを含み、
前記開度変更手段は、前記入口温度の現在値と前記入口温度の平均値との差が前記温度差閾値以上である場合に補正値を算出して前記補正値を予め設定された膨張弁制御目標温度に加算して前記膨張弁制御目標温度を更新し、前記吐出温度が当該更新後の膨張弁制御目標温度となるように前記膨張弁の開度を小さくする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】
前記膨張弁制御目標温度には、予め上限値が設定されており、
前記開度変更手段は、前記補正値を前記膨張弁制御目標温度に加算して得られた値が前記上限値を超える場合には、前記上限値を前記膨張弁制御目標温度とす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に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な、貯湯式ヒートポンプ給湯機の沸き上げ運転においては、貯湯タンク下部から供給される水と、圧縮機で圧縮された冷媒とを熱交換器（ガスクーラ）で熱交換して、高温の湯に沸き上げ、当該貯湯タンクの上部に戻して湯を貯めていく。それゆえ、沸き上げ開始時から所定期間内においては、貯湯タンクの下部側では低温水の層、上部側では高温湯の層になっている。沸上げ運転が進んで高温湯が貯湯タンクの下部まで貯まり始めると、熱交換器に供給される水の温度も急に上昇し始める。それに伴って熱交換器の冷媒出口温度の温度も急に上昇し始める。一般的に、熱交換器の冷媒出口温度が上昇すると、熱交換器における熱交換量が小さくなり、圧縮機の消費電力に対する沸き上げ能力が低下する。それ故、沸き上げがある程度進んだ段階で沸き上げ能力が急に低下し、沸き上がりまでに時間を要していた。
【０００３】
湯加熱能力を調整する技術としては、運転中の湯加熱能力を、加熱前の低温水の温度と加熱後の高温水の温度との差に基づいて検知し、圧縮機の運転周波数を調整することにより、湯加熱能力を必要湯加熱能力に近づけるヒートポンプ式給湯機が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１１６８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されている技術のように給水温度と出湯温度との差に基づいて湯加熱能力を調整する場合、沸上げ運転が進んで高温湯が貯湯タンクの下部まで貯まり始めた時点から直ぐに湯加熱能力を上げることができない。つまり、熱交換器への給水温度が上昇すると熱交換器からの出湯温度も追随して上昇するので、高温湯が貯湯タンクの下部まで貯まり始めたこと、すなわち、沸き上げ能力が低下し始めたことが、給水温度と出湯温度との差に現れ難い。それゆえ、湯加熱能力の低下に伴って沸き上がりまでに時間を要してしまうという問題を解消することができなかった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、沸き上げがある程度進んだときにも沸き上げ能力を低下させず、短時間で沸き上げ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】
【０００７】
この発明に係るヒートポンプ給湯機は、圧縮機、冷媒水熱交換器、膨張弁及び空気冷媒熱交換器が環状に接続された冷媒回路を有し、前記冷媒水熱交換器により水を加熱して温水を生成するヒートポンプと、前記ヒートポンプにより加熱された温水を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクと前記冷媒水熱交換器との間で湯水を循環させる送水ポンプと、前記冷媒水熱交換器に流入する水の温度である入口温度を検出する入口温度検出部と、を備え、前記入口温度の現在値と予め設定した期間における前記入口温度の平均値との差が予め設定した温度差閾値以上である場合における前記膨張弁の開度を、前記入口温度の現在値と前記入口温度の平均値との差が前記温度差閾値未満である場合における前記膨張弁の開度よりも小さくする開度変更手段を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明のヒートポンプ給湯機によれば、沸き上げがある程度進んだときにも沸き上げ能力を低下させず、短時間で沸き上げできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図である。
【図２】図１のヒートポンプ給湯機の沸き上げ運転時の給水温度の変化を示すタイムチャートである。
【図３】図１のヒートポンプ給湯機の沸き上げ運転時における膨張弁３の開度制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機１００の構成図である。ヒートポンプ給湯機１００は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮した冷媒と水の熱交換を行う冷媒水熱交換器２と、冷媒水熱交換器２で放熱した冷媒を膨張させる膨張弁３と、膨張弁３で膨張した冷媒と外気の熱交換を行う空気冷媒熱交換器４とを備える。圧縮機１、冷媒水熱交換器２、膨張弁３、空気冷媒熱交換器４は冷媒配管によって環状に接続されヒートポンプ回路１〜４を形成している。また、空気冷媒熱交換器４に外気を送風する手段として送風ファン５を備える。
【００１１】
また、ヒートポンプ給湯機１００は、冷媒と水の熱交換を行う冷媒水熱交換器２に供給する水及び沸き上げた湯を蓄える貯湯タンク６と、貯湯タンク６に貯留されている水を貯湯タンク６の下部から吸引して冷媒水熱交換器２に供給するとともに冷媒水熱交換器２から貯湯タンク６に湯を戻す、すなわち、貯湯タンク６と冷媒水熱交換器２との間で湯水を循環させる送水ポンプ７とを備える。貯湯タンク６と、送水ポンプ７と、冷媒水熱交換器２とは循環配管１３によって環状に接続されている。給水配管１５は、貯湯タンク６の下部に接続されており、水を貯湯タンク６に供給する。給水配管１５は、貯湯タンク６の上流側で分岐され、給湯配管１６と三方弁１４を介して接続されている。給湯配管１６は、貯湯タンク６の上部に接続されており、貯湯タンク６に貯留されている温水を例えば家屋内の浴槽（図示せず）に供給するために用いられる。
【００１２】
制御装置８は、圧縮機１、膨張弁３、及び送風ファン５を制御する。制御装置８は、膨張弁３の開度を変更する開度変更手段を備える。吐出温度サーミスタ９は、圧縮機１から吐出される冷媒の温度すなわち圧縮機１の吐出温度を検出する。入水温度サーミスタ１０は、貯湯タンク６から冷媒水熱交換器２に供給される水の温度すなわち冷媒水熱交換器２の入口温度を検出する。出湯温度サーミスタ１１は、冷媒水熱交換器２で沸き上げられた湯の温度すなわち冷媒水熱交換器２の出口温度を検出する。外気温度サーミスタ１２は、外気温度を検出する。
【００１３】
沸き上げ運転時には、送水ポンプ７によって貯湯タンク６から冷媒水熱交換器２へ送水される。水は冷媒水熱交換器２において、圧縮機１より吐出された高温高圧の冷媒と熱交換されて高温の湯となる。湯は貯湯タンク６に送られ、貯湯タンク６の上部から蓄えられていく。冷媒水熱交換器２において水と熱交換した冷媒は、膨張弁３によって膨張され、空気冷媒熱交換器４で外気と熱交換を行い、圧縮機１に吸入される。
【００１４】
以下、沸き上げ運転時におけるヒートポンプ給湯機１００の動作について説明する。制御装置８は、沸き上げ運転時には、入水温度サーミスタ１０によって検出された入口温度の現在値と予め設定された期間内における入口温度の平均値との差（以下、入口温度差と称する）が予め設定した温度差閾値以上である場合における膨張弁３の開度を、入口温度差が温度差閾値未満である場合における膨張弁３の開度よりも小さくする。当該期間は、例えば、現時点から過去１０分間とすることができる。以下、沸き上げ運転のうち、入口温度差が温度差閾値未満であるときの運転を通常沸き上げ運転と称し、入口温度差が温度差閾値以上であるときの運転を強沸き上げ運転と称する。
【００１５】
また、制御装置８は、入口温度差が温度差閾値以上であり、且つ、一定期間内における入口温度の変化量が予め設定した変化量閾値以上である状態が予め設定した期間以上続いた場合に、膨張弁３の開度を小さくするようにすることもできる。制御装置８は、例えば、１分間における入口温度の上昇量が０．５℃である状態が５分以上続いた場合に、膨張弁３の開度を小さくするようにすることができる。
【００１６】
制御装置８は、沸き上げ運転時には、吐出サーミスタ９によって検出された吐出温度が膨張弁制御目標温度となるように膨張弁３の開閉を制御する。膨張弁制御目標温度の初期値は、沸き上げ運転開始時に外気温度サーミスタ１２によって取得した外気温度と沸き上げ温度の目標値とに基づいて設定することができる。また、膨張弁制御目標温度の初期値は、外気温度サーミスタ１２によって検出された外気温度と、必要な沸上げ能力とに基づいて設定することもできる。制御装置８は、強沸き上げ運転時には、膨張弁制御目標温度に補正温度を加算して膨張弁制御目標温度を更新する。制御装置８は、吐出温度が膨張弁制御目標温度に近づくように膨張弁３の開度を変更する。かかる動作によって、圧縮機１の吐出温度が上昇し、通常沸き上げ運転時に比較して沸き上げ能力の低下を防止することができる。膨張弁制御目標温度の設定詳細については後述する（図３）。
【００１７】
沸き上げ運転時のヒートポンプ給湯機１００においては、貯湯タンク６の下部から供給される水を、冷媒水熱交換器２において、圧縮機１によって高温高圧に圧縮された冷媒と熱交換することで、高温（例えば６５℃〜９０℃）の湯に沸き上げ、貯湯タンク６の上部に戻して湯を貯めていく。沸き上げ運転が進み、貯湯タンク６に湯が貯まっていき、高温の湯が貯湯タンク６の下部まで貯まり始めると、冷媒水熱交換器２に供給される水の温度も上昇していく。
【００１８】
通常沸き上げ運転時においては、貯湯タンク６内の水の層は低温水の層と高温湯の層とからなり、冷媒水熱交換器２への供給が低温水から高温湯に変わる時点で、冷媒水熱交換器２への給水温度が急に上昇し始める。例えば、図２に示されるように、貯湯タンク全量の水を約１０℃から約６０℃に沸き上げるとして、全約５時間の沸上げ運転のうち開始から約３．３時間は冷媒水熱交換器２への給水温度はほぼ一定であるが、その後の約１．７時間において、約５０℃上昇する。
【００１９】
供給される水の温度の上昇に伴い、冷媒水熱交換器２の冷媒出口温度も上昇する。冷媒水熱交換器２の冷媒出口温度が上昇し始めた後においても通常沸き上げ運転を続けた場合、冷媒水熱交換器２における熱交換量が小さくなり、圧縮機１の消費電力に対する沸き上げ能力が減少するため、沸き上げ運転の効率が低下する。そこで、ヒートポンプ給湯機１００においては、強沸き上げ運転を行い、膨張弁３の開度を制御して圧縮機１の吐出温度を上昇させることによって、冷媒水熱交換器２における熱交換量の減少を抑制する。それによって、沸き上げ運転の効率低下を防止することができる。
【００２０】
以下、図３を参照しつつ、ヒートポンプ給湯機１００の制御装置８による沸き上げ運転時における膨張弁３の開度制御について説明する。
【００２１】
先ず、制御装置８は、外気温度サーミスタ１２によって検知された現在の外気温度Ｔａを取得する（ステップＳ１）。
【００２２】
次に、制御装置８は、ユーザーによって設定された設定沸き上げ温度ＴＰを取得する（ステップＳ２）。なお、ユーザーは、設定沸き上げ温度ＴＰを、ヒートポンプ給湯機１００の表面に設けられた設定パネル又はリモコン（図示せず）により設定できる。
【００２３】
次に、制御装置８は、ステップＳ１及びＳ２で取得した外気温度Ｔａ及び設定沸き上げ温度ＴＰに基づいて膨張弁制御目標温度Ｔｄｔを決定する（ステップＳ３）。例えば、Ｔｄｔ＝ＴＰ＋（２０−Ｔａ）とすることができる。制御装置８は、圧縮機１の吐出温度が膨張弁制御目標温度Ｔｄｔとなるように膨張弁３の開度を調整し、沸き上げ運転を開始する。
【００２４】
次に、制御装置８は、入水温サーミスタ１０によって検知された入口温度の平均値Ｔｗｉ０を算出し、平均値Ｔｗｉ０と現在の値Ｔｗｉ１との差である入口温度差Ｔｄｉを算出して、入口温度差Ｔｄｉが温度差閾値Ｔｈａ以上であるか否かを判別する（ステップＳ４）。当該判別は、沸き上げ運転開始時から例えば１０分後などの予め設定された時間の経過後から開始される。平均値Ｔｗｉ０は、例えば１０分などの予め設定された一定期間内における平均値であり、例えば１分間隔などの予め設定された間隔で算出される。この場合、制御装置８は、１分間隔で当該判別を行う。
【００２５】
制御装置８は、入口温度差Ｔｄｉが閾値Ｔｈａ以上である場合には補正温度Ｔｄｈを算出する。補正温度Ｔｄｈは、例えば式Ｔｄｈ＝（Ｔｗｉ１−Ｔｗｉ０）×αによって算出することができる。算出した補正温度Ｔｄｈを膨張弁制御目標温度Ｔｄｔに加算して膨張弁制御目標温度Ｔｄｔを更新する（ステップＳ５）。
【００２６】
なお、制御装置８は、入口温度差Ｔｄｉが温度差閾値Ｔｈａ以上であり、且つ、一定期間内における入口温度の変化量が予め設定した変化量閾値以上である状態が予め設定した期間以上続いた場合に、膨張弁制御目標温度Ｔｄｔを更新するようにすることもできる。例えば、１分間における入口温度の上昇量が０．５℃である状態が５分以上続いた場合に、膨張弁制御目標温度Ｔｄｔを更新するようにすることもできる。かかる構成によれば、入水温度サーミスタ１０による入口温度の誤検出によって入口温度が一時的に上昇して強沸き上げ運転に移行してしまうことを防止できる。
【００２７】
また、冷媒圧力の過剰な上昇を防ぐため、膨張弁制御目標温度Ｔｄｔの上限値Ｔｍを設けることもできる。上限値Ｔｍは例えば２０℃である。膨張弁制御目標温度Ｔｄｔの算出値が上限値Ｔｍを超える場合には、制御装置８は、膨張弁制御目標温度Ｔｄｔを当該上限値Ｔｍとする。
【００２８】
制御装置８は、膨張弁制御目標温度Ｔｄｔに基づいて膨張弁３の開度を変更する。例えば、制御装置８は、膨張弁３の開度を膨張弁制御目標温度Ｔｄｔに反比例するように変更することができる。また、制御装置８は、膨張弁制御目標温度Ｔｄｔと膨張弁３の開度との対応を予め設定したテーブルを備え、膨張弁３の開度を現在の膨張弁制御目標温度Ｔｄｔに対応する開度に変更することもできる。
【００２９】
次に、制御装置８は、給水温度が設定沸き上げ温度ＴＰに達した場合、又はユーザーからの沸き上げ終了指示があった場合に沸き上げ運転を終了し、それまではステップＳ４及びＳ５の制御を行う（ステップＳ６）。
【００３０】
上記したように、本実施形態のヒートポンプ給湯機１００においては、冷媒水熱交換器２の一定期間内の入口温度の平均値Ｔｗｉ０と現在の値Ｔｗｉ１との差である入口温度差Ｔｄｉが温度差閾値Ｔｈａ以上である場合に膨張弁３の開度を小さくする。貯湯タンク６の上層から下層に向かって徐々に高温湯が貯まっていき、下層から冷媒水熱交換器２に供給されていくので、沸き上げ運転開始時から所定期間が経過するまでは、冷媒水熱交換器２の入口温度はほとんど変化しない。当該期間においては入口温度の平均値にほとんど変化がないので、制御装置８は、通常沸き上げ運転を行い、補正値Ｔｄｈを算出せず、膨張弁制御目標温度Ｔｄｔの更新も行わない。高温湯が貯湯タンク６の下層にまで貯まった時点すなわち冷媒水熱交換器２における熱交換量が減少して沸き上げ能力が低下し始める時点から、冷媒水熱交換器２の入口温度も上昇する。入口温度の上昇によって、入口温度の現在の値Ｔｗｉ１は、所定期間の平均値Ｔｗｉ０から乖離し始める。ヒートポンプ給湯機１００においては、入口温度差Ｔｄｉが温度差閾値Ｔｈａ以上となったときに補正温度Ｔｄｈを算出し、これを膨張弁制御一定温度Ｔｄｔに加算して膨張弁制御目標温度Ｔｄｔを更新する。圧縮機１の吐出温度が膨張弁制御目標温度Ｔｄｔに近づくように膨張弁３の開度を小さくすることによって、冷媒水熱交換器２に供給される冷媒の温度を上昇させて、強沸き上げ運転を行い、熱交換量が低下することを防止する。
【００３１】
このように、ヒートポンプ給湯機１００においては、沸き上げ運転開始時からある程度の時間が経過して冷媒水熱交換器２における熱交換効率が低下し始めたことを、冷媒水熱交換器２の入口温度の現在の値Ｔｗｉ１が平均値Ｔｗｉ０から温度差閾値Ｔｈａ以上離れたことをもって検出する。それ故、熱交換効率が低下し始めた時点から直ぐに圧縮機１の吐出温度を上昇させることができ、熱交換量が低下することを防止することができる。
【００３２】
また、制御装置８は、一定期間内における入口温度の変化量が予め設定した変化量閾値以上である状態が予め設定した期間以上続いた場合に、膨張弁３の開度を小さくするようにすることもできる。かかる構成によれば、入水温度サーミスタ１０による入口温度の誤検出によって入口温度が一時的に上昇した場合であっても、通常沸き上げ運転から強沸き上げ運転への移行の誤動作を防止することができる。
【００３３】
また、補正温度Ｔｄｔに上限値を設けることもできる。かかる構成によれば、冷媒圧力の過剰な上昇を防いで、圧縮機１の故障を防止することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  圧縮機
２  熱交換器
３  膨張弁
４  蒸発器
５  送風ファン
６  貯湯タンク
７  送水ポンプ
８  制御手段
９  吐出温度サーミスタ
１０  入水温度サーミスタ
１１  出湯温度サーミスタ
１２  外気温度サーミスタ
１３  循環配管
１４  三方弁
１５  給水配管
１６  給湯配管
【図１】
2016057003.tif 000003
【図２】
2016057003.tif 000004
【図３】
2016057003.tif 000005