(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の臨界圧以上に冷媒を圧縮する冷媒圧縮機、冷媒水熱交換器の冷媒通路、膨張弁、および冷媒蒸発器を冷媒配管で環状に接続した冷媒回路と、
水が前記冷媒通路を通過する冷媒の流れ方向と対向して流れる前記冷媒水熱交換器の湯水通路、貯湯側から湯を貯湯していく貯湯タンク、および循環ポンプを湯水配管で環状に接続した給湯回路と、
前記冷媒圧縮機、前記膨張弁、前記循環ポンプを制御する制御器とを備え、
該制御器が前記冷媒圧縮機および前記循環ポンプを作動させて、前記冷媒通路を通過する高温の冷媒により前記湯水通路を通過する湯水を加熱するヒートポンプ運転を行う給湯装置であって、
外気温度を検出する外気温検出手段と、目標加熱能力を算出する目標加熱能力算出手段とを設け、
前記外気温度と、前記冷媒水熱交換器において加熱される湯の目標沸き上げ温度に対応する高圧側冷媒圧力とによって、前記制御器が前記冷媒圧縮機の回転数を決定することを特徴とする給湯装置。
【請求項２】
前記冷媒圧縮機の吸入側の冷媒温度または冷媒圧力を検出する冷媒状態検出手段を有し、前記冷媒圧縮機の吸入側の冷媒温度または冷媒圧力と、前記目標加熱能力とに基づいて前記制御器が前記冷媒圧縮機の回転数を決定することを特徴とする請求項１記載の給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒水熱交換器の冷媒通路を通過する高温の冷媒と、冷媒水熱交換器の湯水通路を通過する湯水とを熱交換して湯水を加熱する給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電気ヒータで水を加熱して貯湯タンクに貯湯する電気加熱式の給湯装置が知られている。
【０００３】
また、冷媒を圧縮する冷媒圧縮機、冷媒水熱交換器の冷媒通路、膨張弁、および冷媒蒸発器を冷媒配管で環状に接続した冷媒回路と、冷媒水熱交換器の湯水通路、貯湯側から湯を貯湯していく貯湯タンク、および循環ポンプを湯水配管で環状に接続した給湯回路と、冷媒圧縮機、膨張弁、循環ポンプを制御する制御器とを備え、制御器が冷媒圧縮機および循環ポンプを作動させて、冷媒通路を通過する高温の冷媒により湯水通路を通過する湯水を加熱するヒートポンプ式の給湯装置も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電気加熱式の給湯装置では、貯湯タンク内の残湯量等から算出した必要加熱量を電気ヒータの入力電力（加熱出力）で割って通電時間を求め、深夜時間帯の終了時に沸き上がる様にしている。
しかし、ヒートポンプ式の給湯装置では、外気温度や給水温度等によって加熱能力が変化するので、目標時間に沸き上げるのは困難であった。
本発明の目的は、目標とする加熱能力を容易に得ることができる給湯装置の提供にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１について〕
冷媒回路は、冷媒の臨界圧以上に冷媒を圧縮する冷媒圧縮機、冷媒水熱交換器の冷媒通路、膨張弁、および冷媒蒸発器を冷媒配管で環状に接続している。
給湯回路は、水が前記冷媒通路を通過する冷媒の流れ方向と対向して流れる冷媒水熱交換器の湯水通路、貯湯側から湯を貯湯していく貯湯タンク、および循環ポンプを湯水配管で環状に接続している。
外気温検出手段が外気温度を検出し、目標加熱能力算出手段が目標加熱能力を算出する。
【０００６】
冷媒圧縮機、膨張弁、循環ポンプを制御する制御器は、冷媒圧縮機および循環ポンプを作動させて、冷媒通路を通過する高温の冷媒により湯水通路を通過する湯水を加熱するヒートポンプ運転を行う。この際、外気温度と、冷媒水熱交換器において加熱される湯の目標沸き上げ温度に対応する高圧側冷媒圧力とによって制御器が冷媒圧縮機の回転数を決定する。
【０００７】
具体的には、冷媒圧縮機の回転数決定グラフ（図３参照）に基づき、その外気温度で目標加熱能力が得られる冷媒圧縮機の回転数を仮決定し、湯の目標沸き上げ温度が高いほど、仮決定した冷媒圧縮機の回転数は小さくなる様に補正して本決定する。
決定した冷媒圧縮機の回転数で冷媒圧縮機を制御してヒートポンプ運転を行えば、給湯装置は目標とする加熱能力を容易に出すことができる。
【０００８】
〔請求項２について〕
給湯装置は、冷媒圧縮機の吸入側の冷媒温度または冷媒圧力を検出する冷媒状態検出手段を有する。
冷媒圧縮機の吸入側の冷媒温度または冷媒圧力と、目標加熱能力とに基づいて制御器が冷媒圧縮機の回転数を決定する。
【００１０】
具体的には、冷媒圧縮機の回転数を、冷媒圧縮機の吸入側の冷媒温度または冷媒圧力（冷媒温度または冷媒圧力が高いほど下げる）と、目標加熱能力（目標加熱能力が高いほど上げる）とに基づいて制御器が決定する。
決定した回転数で冷媒圧縮機を制御してヒートポンプ運転を行えば、給湯装置は、目標とする加熱能力を容易に出すことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施例を、図１〜図４に基づいて説明する。
給湯装置Ａは、冷媒の臨界圧力以上に冷媒を圧縮するコンプレッサ１１、冷媒水熱交換器２の冷媒通路２１、膨張弁３、および冷媒蒸発器４を冷媒配管１２で環状に接続してなる冷媒回路１と、冷媒水熱交換器２の湯水通路２２、循環ポンプ５、および貯湯タンク６１を湯水配管６２で環状に接続してなる給湯回路６と、コンプレッサ１１、循環ポンプ５、および膨張弁３を制御する制御器９とを備える。
【００１８】
そして、制御器９が、コンプレッサ１１、循環ポンプ５、膨張弁３を制御してヒートポンプ運転を行い、冷媒通路２１を通過する高温の冷媒と湯水通路２２を通過する湯水とを熱交換して湯水を加熱する。
【００１９】
コンプレッサ１１は、電気モータによって駆動され、吸引したガス冷媒（本実施例では臨界圧力が低いＣＯ2 ）を臨界圧力以上に圧縮して吐出する。
このコンプレッサ１１は、吐出側の高圧冷媒圧力が冷媒の臨界点を越える圧力となる様に運転されている。このため、冷媒水熱交換器２の出口側の冷媒が超臨界状態となるので、熱交換の状態により冷媒がどの相域にも変化する。
なお、コンプレッサ１１の冷媒吐出量は、電気モータの回転数に応じて可変可能である。
【００２０】
冷媒水熱交換器２は、コンプレッサ１１で圧縮された高温高圧のガス冷媒と湯水とを熱交換するものであり、冷媒が通過する冷媒通路２１と、湯水が通過する湯水通路２２とが隣接して設けられ、冷媒の流れ方向と湯水の流れ方向とが対向する様に構成されている。
【００２１】
膨張弁３は、冷媒水熱交換器２の冷媒通路２１と冷媒蒸発器４との間を接続する冷媒配管１２中に設けられている。冷媒通路２１を通過して冷却した冷媒が膨張弁３を通過する際に減圧されて冷媒蒸発器４に送られる。なお、制御器９により膨張弁３の弁開度が下記の様に制御される。
【００２２】
（冷媒温度センサ９５が検出する、冷媒水熱交換器２の冷媒通路２１の出口側の冷媒温度）−（給水温度センサ９２が検出する給水温度）＜第１目標温度差；例えば９℃であると膨張弁３を開く方向に制御する。
【００２３】
（冷媒温度センサ９５が検出する、冷媒水熱交換器２の冷媒通路２１の出口側の冷媒温度）−（給水温度センサ９２が検出する給水温度）＞第２目標温度差；例えば１１℃であると膨張弁３を閉じる方向に制御する。
【００２４】
冷媒蒸発器４は、室外ファン（図示せず）による送風を受けて、膨張弁３で減圧した冷媒と外気とを熱交換して冷媒を蒸発させる。
循環ポンプ５は、貯湯タンク６１内の湯水が、底部出口から冷媒水熱交換器２の湯水通路２２の入口→湯水通路２２→湯水通路２２の出口を経て上部入口から貯湯タンク６１内へ戻る水流を発生させる。
【００２５】
沸き上げ温度センサ９１が検出する沸き上げ温度が目標給湯温度になる様に、給湯回路６の循環流量の調整を、制御器９がポンプモータへの通電量（循環ポンプ５の回転数）を制御することにより行う。
【００２６】
貯湯タンク６１は、耐蝕性に優れた金属（例えばステンレス）で形成され、給湯用の温水を長時間に亘って保温可能な断熱構造を備える。そして、貯湯タンク６１内の温水は、キッチン、風呂、床暖房、室内暖房、浴室乾燥などに用いられる。
【００２７】
９１は沸き上げ温度センサ、９２は給水温度センサ、９３はコンプレッサ１１の吸入側の冷媒温度を検出する吸入側冷媒温度センサ、９４はコンプレッサ１１の吐出側の冷媒温度を検出する吐出側冷媒温度センサ、９５は冷媒水熱交換器２の冷媒通路２１の出口側の冷媒温度を検出する冷媒温度センサ、９６は冷媒蒸発器４の入口側の冷媒温度を検出する冷媒温度センサ、９７は外気温を検出する外気温センサである。
【００２８】
つぎに、給湯装置Ａの作動を図２に示すフローチャートに基づいて述べる。
ステップｓ１で、制御器９がヒートポンプ運転の運転開始指令を出すか否かを判別し、運転開始指令を出す場合（ＹＥＳ）にはステップｓ２に進み、出さない場合（ＮＯ）にはステップｓ１に戻る。
【００２９】
なお、以下の場合に、給湯装置Ａの制御器９がヒートポンプ運転の開始指令を出す。
使用者が操作スイッチを手動でオンにしてヒートポンプ運転の開始を指示した時。
安い深夜電力が利用できる深夜時間になった時。
貯湯タンク６１内に貯湯された温水が使用されて著しく減った時。
【００３０】
ステップｓ２で、外気温センサ９７の出力に基づいて外気温度を検出する。
ステップｓ３でコンプレッサ回転数を決定する。
先ず、図３に示す回転数決定グラフに基づき、その外気温度で目標加熱能力（実線のＱ１〜Ｑ５）が得られるコンプレッサ回転数を仮決定する。
図４のモリエル線図に示す様に沸き上げ温度によっても、冷媒がバランスする高圧圧力が変化し、加熱エンタルピが変化するので、沸き上げ温度が高いほど、仮決定したコンプレッサ回転数が小さくなる様に補正する。
具体的には、沸き上げ温度が高いほど実線のＱ１〜Ｑ５のカーブを下方に補正し、沸き上げ温度が低いほど実線のＱ１〜Ｑ５のカーブを上方に補正する。
【００３１】
ステップｓ４で、制御器９がヒートポンプ運転の運転停止指令を出すか否かを判別し、運転停止指令を出す場合（ＹＥＳ）にはヒートポンプ運転を停止し、出さない場合（ＮＯ）にはステップｓ５に進む。
【００３２】
なお、以下の場合に、給湯装置Ａの制御器９がヒートポンプ運転の停止指令を出す。
使用者が操作スイッチを手動でオフにしてヒートポンプ運転の停止を指示した時。
安い深夜電力が利用できる深夜時間が終了した時。
貯湯タンク６１内に充分な量の温水が貯湯された状態で、貯湯タンク６１内の温水が使用されなくなった時。
【００３３】
ステップｓ５でタイマ設定時間だけ現状のコンプレッサ回転数を維持し、タイマ設定時間が経過するとステップｓ２に戻ってコンプレッサ回転数の見直しを行う。
【００３４】
本実施例の給湯装置Ａは、以下の利点を有する。
図３に示す回転数決定グラフに基づき、その外気温度で目標加熱能力（実線のＱ１〜Ｑ５）が得られるコンプレッサ回転数を仮決定し、沸き上げ温度が高いほど、仮決定したコンプレッサ回転数が小さくなる様に補正して本決定する構成である。
このため、決定したコンプレッサ回転数でコンプレッサを制御してヒートポンプ運転を行えば、給湯装置Ａは目標とする加熱能力を容易に出すことができる。
【００３５】
つぎに、本発明の第２実施例を、図５〜図７に基づいて説明する。
図５に示す給湯装置Ｂは、下記の点が給湯装置Ａと異なる。
給湯回路６内を流れる湯水循環流量を検出する流量計９８を循環ポンプ５の下流側の湯水配管６２に介設している。
また、９１は沸き上げ温度センサ、９２は給水温度センサである。
【００３６】
この給湯装置Ｂの作動を、図６に示すフローチャートに基づいて述べる。
ステップＳ１で、制御器９がヒートポンプ運転の運転開始指令を出すか否かを給湯装置Ａと同様に判別し、運転開始指令を出す場合（ＹＥＳ）にはステップＳ２に進み、出さない場合（ＮＯ）にはステップＳ１に戻る。
【００３７】
ステップＳ２で、沸き上げ温度センサ９１が検出する沸き上げ温度、給水温度センサ９２が検出する給水温度、流量計９８が検出する湯水循環流量から制御器９が目標加熱能力（図７のｑ１〜ｑ５）を算出する。
【００３８】
ステップＳ３において、図７に示す回転数決定グラフに基づき、その外気温度で目標加熱能力（ｑ１〜ｑ５）が得られるコンプレッサ回転数を決定する。
【００３９】
ステップＳ４で、制御器９がヒートポンプ運転の運転停止指令を出すか否かを給湯装置Ａと同様に判別し、運転停止指令を出す場合（ＹＥＳ）にはヒートポンプ運転を停止し、出さない場合（ＮＯ）にはステップＳ５に進む。
ステップＳ５でタイマ設定時間だけ現状のコンプレッサ回転数を維持し、タイマ設定時間が経過するとステップＳ２に戻ってコンプレッサ回転数の見直しを行う。
【００４０】
本実施例の給湯装置Ｂは、以下の利点を有する。
図７に示す回転数決定グラフに基づき、その外気温度で目標加熱能力（ｑ１〜ｑ５）が得られるコンプレッサ回転数を決定する構成である。
このため、そのコンプレッサ回転数でコンプレッサを制御してヒートポンプ運転を行えば、給湯装置Ｂは目標とする加熱能力を容易に出すことができる。
【００４１】
つぎに、本発明の第３実施例を、図８〜図１２に基づいて説明する。
図８に示す給湯装置Ｃは、下記の点が給湯装置Ａと異なる。
９２は給水温度センサ、９５は冷媒水熱交換器２の冷媒通路２１の出口側の冷媒温度を検出する冷媒温度センサである。
【００４２】
この給湯装置Ｃの作動を、図９に示すフローチャートに基づいて述べる。
ステップｓｔ１で、制御器９がヒートポンプ運転の運転開始指令を出すか否かを給湯装置Ａと同様に判別し、運転開始指令を出す場合（ＹＥＳ）にはステップｓｔ２に進み、出さない場合（ＮＯ）にはステップｓｔ１に戻る。
【００４３】
ステップｓｔ２で、外気温センサ９７により検出される外気温度と、冷媒温度センサ９５が検出する冷媒水熱交換器２の冷媒通路２１の出口側の冷媒温度とを制御器９が検出する。
【００４４】
ステップｓｔ３において、コンプレッサ１１の回転数を、先ず、図１１に示す回転数仮決定グラフに基づき、その外気温度で目標加熱能力（Ｑ１０〜Ｑ５０）が得られるコンプレッサ回転数を仮決定する。
そして、仮決定したコンプレッサ回転数を、図１２に示す給水温度（又は冷媒温度）- 回転数補正率グラフに基づいてコンプレッサ回転数を決定する。なお、吐出側の高圧冷媒圧力は冷媒の臨界点を越える圧力である。
【００４５】
また、制御器９は、冷媒通路２１の出口側の冷媒温度と、給水温度との差（図１０の温度差参照）に基づいて膨張弁３の開度を制御し、高圧圧力の変化によって、水と冷媒との熱交換の状態を安定させる。具体的には、差が大きいほど、膨張弁３の開度が小さくなる様に制御する。
【００４６】
ステップｓｔ４で、制御器９がヒートポンプ運転の運転停止指令を出すか否かを給湯装置Ａと同様に判別し、運転停止指令を出す場合（ＹＥＳ）にはヒートポンプ運転を停止し、出さない場合（ＮＯ）にはステップｓｔ５に進む。
【００４７】
ステップｓｔ５でタイマ設定時間だけ現状のコンプレッサ回転数を維持し、タイマ設定時間が経過するとステップｓｔ２に戻ってコンプレッサ回転数の見直しを行う。
【００４８】
本実施例の給湯装置Ｃは、以下の利点を有する。
図１１に示す回転数仮決定グラフに基づき、その外気温度で目標加熱能力（実線のＱ１０〜Ｑ５０）が得られるコンプレッサ回転数を仮決定し、仮決定したコンプレッサ回転数を、図１２に示す給水温度（又は冷媒温度）- 回転数補正率グラフに基づいてコンプレッサ回転数を決定する構成である。
【００４９】
このため、給湯装置Ｃは、冷媒圧縮機の能力を制御して熱交換の状態を変えることにより目標とする加熱能力を容易に出すことができる。
【００５０】
本発明は、上記実施例以外につぎの実施態様を含む。
ａ．給湯装置Ａにおいて、コンプレッサ１１の吸入側の冷媒温度または冷媒圧力を検出する冷媒状態検出手段を設け、下記の様に制御しても良い（請求項２に相当）。
ステップｓ２で、冷媒状態検出手段が、コンプレッサ１１の吸入側の冷媒温度または冷媒圧力を検出する。
ステップｓ３でコンプレッサ回転数を決定する、
先ず、回転数決定グラフに基づき、そのコンプレッサ１１の吸入側の冷媒温度または冷媒圧力で目標加熱能力が得られるコンプレッサ回転数を仮決定する。
沸き上げ温度が高いほど、仮決定したコンプレッサ回転数が小さくなる様に補正する。
【００５１】
ｂ．上記ａに加え、コンプレッサ１１の吐出側の高圧冷媒圧力を検出する高圧側冷媒圧力検出手段を設け、高圧冷媒圧力が高いほど制御器９が決定したコンプレッサ１１の能力が低くなる様に補正する構成にしても良い（請求項４に対応）。
【００５２】
ｃ．上記ａに加え、冷媒水熱交換器２の冷媒通路２１の出口側の出口側冷媒圧力を検出する出口側冷媒圧力検出手段を設け、出口側冷媒圧力が高いほど制御器９が決定したコンプレッサの回転数が低くなる様に補正する構成にしても良い（請求項５に対応）。
【００５３】
ｄ．上記ａ、ｂにおいて、各給水温度毎に、冷媒蒸発器４に入る冷媒の温度と、冷媒圧力との関係を予め計測して冷媒圧力マップを作っておき、給水温度と冷媒蒸発器４に入る冷媒の温度とから冷媒圧力を推定する構成に変更しても良い。
【００５４】
ｅ．コンプレッサの体積効率が一定として冷媒流量を見積もったが、コンプレッサ回転数、冷媒の高低圧圧力（または、これが推定できる吐出・吸入温度）によって体積効率の変化分を考慮しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る給湯装置の構成図である。
【図２】その給湯装置の作動を示すフローチャートである。
【図３】その給湯装置で用いるコンプレッサ回転数決定グラフである。
【図４】その給湯装置の作動をモリエル線図で示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施例に係る給湯装置の構成図である。
【図６】その給湯装置の作動を示すフローチャートである。
【図７】その給湯装置で用いるコンプレッサ回転数決定グラフである。
【図８】本発明の第３実施例に係る給湯装置の構成図である。
【図９】その給湯装置の作動を示すフローチャートである。
【図１０】その給湯装置の作動をモリエル線図で示すグラフである。
【図１１】その給湯装置で用いるコンプレッサ回転数仮決定グラフである。
【図１２】仮決定したコンプレッサ回転数を補正してコンプレッサ回転数を決定するための、給水温度（又は冷媒温度）- 回転数補正率グラフである。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ、Ｃ  給湯装置
１  冷媒回路
２  冷媒水熱交換器
３  膨張弁
４  冷媒蒸発器
５  循環ポンプ
６  給湯回路
９  制御器
１１  コンプレッサ（冷媒圧縮機）
１２  冷媒配管
２１  冷媒通路
２２  湯水通路
６１  貯湯タンク
６２  湯水配管
９１  沸き上げ温度センサ（沸き上げ温度検出手段）
９３  吸入側冷媒温度センサ（冷媒状態検出手段）
９４  吐出側冷媒温度センサ（高圧側冷媒圧力検出手段）
９５  冷媒温度センサ（出口側冷媒圧力検出手段）
９７  外気温センサ（外気温検出手段）
９８  流量計（流量検出手段）
【図１】
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【図２】
0003737414.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003737414.tif 000009
【図９】
0003737414.tif 000010
【図１０】
0003737414.tif 000011
【図１１】
0003737414.tif 000012
【図１２】
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