JP2009008308A

JP2009008308A - 給湯装置

Info

Publication number: JP2009008308A
Application number: JP2007168858A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Kado; 浩隆門; Satoshi Kobayashi; 聡小林; Isao Kato; 功加藤; Yasushi Murakoshi; 康司村越
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2009-01-15
Also published as: EP2009370A1

Abstract

【課題】ＣＯＰをより一層向上することができる給湯装置を提供する。
【解決手段】ファン(11)にて送風される大気とヒートポンプユニット(2)の冷媒循環経路(8)を流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を加熱する大気熱交換器(10)と、大気熱交換器を経由した冷媒と給湯ユニット(4)の貯湯循環経路(16)を流れるタンク水との間で熱交換を行い、タンク水を所定の出湯温度に加熱する水熱交換器(6)と、水熱交換器へ入水するタンク水の入水温度を検出する入水温度検出手段(26)と、ファンを駆動する制御ユニット(30)とを備え、制御ユニットは、入水温度検出手段にて検出される入水温度に応じてファンの回転数を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、給湯装置に係り、特にＣＯ_２からなる冷媒を用いたヒートポンプ式の給湯装置に関する。

近時、省エネルギーの観点からヒートポンプを利用した給湯装置の利用が拡大している。この種の給湯装置は、ファンにて送風される大気とヒートポンプユニットの冷媒循環経路を流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を加熱する大気熱交換器、及び大気熱交換器を経由した冷媒と給湯ユニットの貯湯循環経路を流れるタンク水との間で熱交換を行い、タンク水を所定の出湯温度に加熱する水熱交換器を備えている。そして、このファンの回転数を季節に応じて変更する技術が公知である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１６１５４５号公報

ところで、給湯装置の性能は成績係数（ＣＯＰ）で評価され、このＣＯＰは上記水熱交換器での熱交換効率に大きく左右される。すなわち、水熱交換器においてヒートポンプユニット側の冷媒と給湯ユニット側のタンク水との間での熱交換が行われることから、水熱交換器は給湯装置のＣＯＰを決定する重要な構成要素である。
しかしながら、上記従来技術のファン回転数制御は、季節、すなわち外気温度等の外部環境に基づくパラメータのみによってファンの回転数を制御するものであり、水熱交換器での熱交換に直接に関わるパラメータを用いることについては格別な配慮がなされておらず、給湯装置のＣＯＰ向上について依然として課題が残されている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ＣＯＰをより一層向上することができる給湯装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の給湯装置は、ファンにて送風される大気とヒートポンプユニットの冷媒循環経路を流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を加熱する大気熱交換器と、大気熱交換器を経由した冷媒と給湯ユニットの貯湯循環経路を流れるタンク水との間で熱交換を行い、タンク水を所定の出湯温度に加熱する水熱交換器と、水熱交換器へ入水するタンク水の入水温度を検出する入水温度検出手段と、ファンを駆動する制御ユニットとを備え、制御ユニットは、入水温度検出手段にて検出される入水温度に応じてファンの回転数を変更することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、請求項１において、制御ユニットが入水温度の上昇に伴いファンの回転数を段階的に減少することを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、請求項１又は２において、外気温度を検出する外気温度検出手段を更に備え、制御ユニットが外気温度検出手段にて検出される外気温度の低下に伴いファンの回転数を段階的に増加することを特徴としている。

更にまた、請求項４記載の発明では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、水熱交換器にてタンク水を所定の出湯温度に加熱すべく設定出湯温度を設定する出湯温度設定手段を更に備え、制御ユニットが設定出湯温度の上昇に伴いファンの回転数を段階的に増加することを特徴としている。
また、請求項５記載の発明では、請求項４において、制御ユニットが入水温度、外気温度、及び設定出湯温度に基づいて、ヒートポンプユニットの曝される環境負荷を算出し、環境負荷の低下に伴いファンの回転数を段階的に増加することを特徴としている。

更に、請求項６記載の発明では、請求項１乃至５のいずれかにおいて、冷媒がＣＯ_２ガスであることを特徴としている。

請求項１記載の本発明の給湯装置によれば、制御ユニットは水熱交換器へ入水するタンク水の入水温度に応じて大気熱交換器のファンの回転数を変更する。ここで、ヒートポンプユニット側の冷媒と給湯ユニット側のタンク水との間での熱交換、すなわち、水熱交換器に入水するタンク水を入水温度から所定の出湯温度へ加熱する熱交換が水熱交換器にて行われるため、水熱交換器は給湯装置のＣＯＰを決定する上での重要な構成要素となる。従って、水熱交換器での熱交換に直接に関わるパラメータたる入水温度をファンの回転数を決定する要素として用いることにより、給湯装置のＣＯＰを大幅に向上することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、制御ユニットが入水温度の上昇に伴いファンの回転数を段階的に減少することにより、大気からの熱が必要でない条件下では、ファンの回転数を低く抑えることができるため、ファンの消費電力及び騒音を抑制しつつ給湯装置のＣＯＰを向上することができる。
更に、請求項３記載の発明によれば、制御ユニットが外気温度検出手段にて検出される外気温度の低下に伴いファンの回転数を段階的に増加することにより、外気温度が変動したとしても、大気からの熱を段階的に冷媒ひいてはタンク水に安定して取り込むことができ、給湯装置のＣＯＰを確実に向上することができる。

更にまた、請求項４記載の発明によれば、制御ユニットが出湯温度設定手段にて設定される設定出湯温度の上昇に伴いファンの回転数を段階的に増加することにより、設定出湯温度が変更されたとしても、給湯装置の運転状況に合わせて、大気からの熱を段階的に冷媒ひいてはタンク水に円滑に取り込むことができ、給湯装置のＣＯＰを更に確実に向上することができる。

また、請求項５記載の発明によれば、制御ユニットが入水温度、外気温度、及び設定出湯温度に基づいて、ヒートポンプユニットの曝される環境負荷を算出し、この環境負荷の低下に伴いファンの回転数を段階的に増加する。これにより、ヒートポンプユニットの内部、外部、運転に係る環境の総てが同時に変動又は変更されたとしても、給湯装置の運転状況に合わせて、大気からの熱を段階的に冷媒ひいてはタンク水に円滑に且つ安定して取り込むことができ、給湯装置のＣＯＰをより一層確実に向上することができる。

更に、請求項６記載の発明によれば、冷媒をＣＯ_２ガスとすることにより、地球環境への負荷を更に軽減しつつ、給湯装置のＣＯＰの更なる向上に貢献できる。

以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は給湯装置１を概略的に示しており、給湯装置１は大きく分けてヒートポンプユニット２と、給湯ユニット４とから構成され、これらユニット２，４は水熱交換器６を介して互いに熱的に接続されている。
ヒートポンプユニット２は、例えばＣＯ_２ガスからなる冷媒が流れる冷媒循環経路８を備え、この冷媒循環経路８には、大気と冷媒との間で熱交換を行う大気熱交換器１０、圧縮機１２、水熱交換器６、膨脹弁１４等が順次介挿されている。そして、大気熱交換器１０は、ファンモータ１１ａ（以下、ＦＭという）と羽根１１ｂとから構成されるファン１１を有している。

一方、給湯ユニット４は、タンク水が流れる貯湯循環経路１６を備え、この貯湯循環経路１６には、水熱交換器６、貯湯タンク１８、循環ポンプ２０等が順次介挿されている。また、給湯ユニット４は、貯湯タンク１８に給水する給水経路２２及び貯湯タンク１８から給湯する給湯経路２４を備えている。
こうして、ヒートポンプユニット２では、大気熱交換器１０において、ファン１１にて送風される大気とヒートポンプユニット２の冷媒循環経路８を流れる冷媒との間で熱交換が行われ、大気の熱を冷媒に取り込むことによって冷媒が加熱される。そして、この加熱された冷媒は、水熱交換器６において、給湯ユニット４の貯湯循環経路１６を流れるタンク水と熱交換を行い、冷媒の熱をタンク水に取り込むことによってタンク水を所定の出湯温度に加熱する。

一方、給湯ユニット４では、循環ポンプ２０を駆動することにより、給水経路２２から供給される市水がタンク水として貯湯循環経路１６を循環し、上述のように水熱交換器６において所定の出湯温度に加熱されたタンク水が給湯経路２４から吐出され、様々な用途に使用される。
ところで、貯湯循環経路１６には、水熱交換器６に入水するタンク水の入水温度Ｔｗｉを検出する入水温度センサ（入水温度検出手段）２６が設けられている。加えて、給湯装置１には、ファン１１にて送風される大気の温度、すなわち外気温度Ｔａを検出する外気温度センサ（外気温度検出手段）２８が設けられている。

温度センサ２６，２８はＦＭ、その他の電子部を備えた圧縮機１２や膨張弁１４等とともに、給湯装置１を制御する制御ユニット３０に電気的に接続されている（温度センサ２６，２８及びＦＭ以外の電気的接続は図示しない）。
制御ユニット３０には、給湯装置１の各種設定を行う設定ユニット（出湯温度設定手段）３２が電気的に接続されている。設定ユニット３２では、例えば給湯装置１のユーザがタンク水の設定出湯温度Ｔｓｗｏを設定すると、制御ユニット３０は温度センサ２６，２８にてそれぞれ検出された入水温度Ｔｗｉ、外気温度Ｔａに応じて、圧縮機１２の駆動及びその回転数の変更、並びに膨張弁１４の開度変更を行うとともに、ＦＭの駆動及びその回転数Ｎの変更を行い、所望の出湯温度Ｔｗｏに加熱されたタンク水を給湯経路２４から出湯する。

詳しくは、図２に示されるように、ＦＭ回転数Ｎは制御ユニット３０において定義されるマップＭにより決定される。
マップＭは、例えば設定出湯温度Ｔｓｗｏ１〜Ｔｓｗｏ６（Ｔｓｗｏ１＜Ｔｓｗｏ２＜Ｔｓｗｏ３＜Ｔｓｗｏ４＜Ｔｓｗｏ５＜Ｔｓｗｏ６）にそれぞれ対応するマップＭ１〜Ｍ６により構成され、これらマップＭ１〜Ｍ６を参照することにより、検出された入水温度Ｔｗｉ及び外気温度Ｔａに応じてＦＭ回転数Ｎを決定する。

例えば、ＦＭ回転数ＮはＮ１〜Ｎ６（Ｎ１＞Ｎ２＞Ｎ３＞Ｎ４＞Ｎ５＞Ｎ６）の回転数に段階的に区分され、一方、入水温度ＴｗｉはＴｗｉ１〜Ｔｗｉ６（Ｔｗｉ１＜Ｔｗｉ２＜Ｔｗｉ３＜Ｔｗｉ４＜Ｔｗｉ５＜Ｔｗｉ６）、外気温度ＴａはＴａ１〜Ｔａ１０（Ｔａ１＜Ｔａ２＜Ｔａ３＜Ｔａ４＜Ｔａ５＜Ｔａ６＜Ｔａ７＜Ｔａ８＜Ｔａ９＜Ｔａ１０）の温度範囲にそれぞれ区分されている。そして、設定ユニット３２において設定出湯温度Ｔｓｗｏ１〜Ｔｓｗｏ６が設定されると、対応するマップＭ１〜Ｍ６のいずれかにおいて、検出された入水温度ＴｗｉがＴｗｉ１〜Ｔｗｉ６のいずれの範囲に該当し、検出された外気温度ＴａがＴａ１〜Ｔａ６のいずれの範囲に該当するかを参照し、マップＭに従い決定されたＦＭ回転数Ｎ１〜Ｎ６のいずれかでＦＭが駆動される。

ここで、各マップＭ１〜Ｍ６の作成段階においては、対応する設定出湯温度Ｔｓｗｏ１〜Ｔｓｗｏ６ごとに、検出された入水温度Ｔｗｉ及び外気温度Ｔａに基づいて、以下の概略式により、ヒートポンプユニット２の曝される環境負荷ＱｆをＱｆ１〜Ｑｆ６として算出している。
Ｔｓｗｏ１：Ｑｆ１＝Ａ×Ｔａ＋Ｂ１×Ｔｗｉ
Ｔｓｗｏ２：Ｑｆ２＝Ａ×Ｔａ＋Ｂ２×Ｔｗｉ
Ｔｓｗｏ３：Ｑｆ３＝Ａ×Ｔａ＋Ｂ３×Ｔｗｉ
Ｔｓｗｏ４：Ｑｆ４＝Ａ×Ｔａ＋Ｂ４×Ｔｗｉ
Ｔｓｗｏ５：Ｑｆ５＝Ａ×Ｔａ＋Ｂ５×Ｔｗｉ
Ｔｓｗｏ６：Ｑｆ６＝Ａ×Ｔａ＋Ｂ６×Ｔｗｉ
すなわち、環境負荷Ｑｆは、入水温度Ｔｗｉ、外気温度Ｔａ、及び設定出湯温度Ｔｓｗｏに基づいて算出され、入水温度Ｔｗｉ又は外気温度Ｔａの上昇に伴い環境負荷Ｑｆも増大する。

また、上記各概略式の係数Ａ及び係数Ｂ１〜Ｂ６は給湯装置１の仕様に応じて適宜決定されるが、係数Ｂ１〜Ｂ６についてはＢ１＞Ｂ２＞Ｂ３＞Ｂ４＞Ｂ５＞Ｂ６の関係式が成立し、これより、入水温度Ｔｗｉ及び外気温度Ｔａが一定の条件下では、Ｑｆ１＞Ｑｆ２＞Ｑｆ３＞Ｑｆ４＞Ｑｆ５＞Ｑｆ６の関係式が成立し、設定出湯温度Ｔｓｗｏの上昇に伴い環境負荷Ｑｆは低下する。

そして、上記において算出された環境負荷Ｑｆ１〜Ｑｆ６、すなわちＱｆが以下の関係式のいずれか該当するかによって、給湯装置１のＣＯＰが最適となるＦＭ回転数Ｎ１〜Ｎ６が割り振られる。
Ｎ１：Ｑｆ＜Ｘ
Ｎ２：Ｘ≦Ｑｆ＜Ｘ１
Ｎ３：Ｘ１≦Ｑｆ＜Ｘ２
Ｎ４：Ｘ２≦Ｑｆ＜Ｘ３
Ｎ５：Ｘ３≦Ｑｆ＜Ｘ４
Ｎ６：Ｘ４≦Ｑｆ
上記各関係式に用いられる数値Ｘ１〜Ｘ４は給湯装置１の仕様に応じて適宜決定され、Ｘ１＜Ｘ２＜Ｘ３＜Ｘ４の関係式が成立しており、これより環境負荷Ｑｆの低下に伴いＦＭ回転数Ｎは増加する。換言すると、入水温度Ｔｗｉ又は外気温度Ｔａの低下に伴い、或いは設定出湯温度Ｔｓｗｏの上昇に伴い、ＦＭ回転数Ｎを増加すべくマップＭが作成される。

以下、図３〜５を参照し、上記マップＭを使用して制御ユニット３０にて実施されるＦＭ回転数制御について具体的に説明する。
図３は、設定出湯温度Ｔｓｗｏ＝Ｔｓｗｏ１、入水温度Ｔｗｉ＝Ｔｗｉ２として一定にした条件下において、外気温度Ｔａが変動した場合のＦＭ回転数制御によるＦＭ回転数Ｎの変更を時系列的に示している。

ＦＭ回転数制御は、外気温度ＴａがＴａ６からＴａ５に低下した後に再びＴａ６に上昇したとき、マップＭを参照することにより、外気温度Ｔａの変動に伴いＦＭ回転数Ｎを段階的にＮ３からＮ２に増加させた後に再びＮ３に減少させる。
次に、図４は、設定出湯温度Ｔｓｗｏ＝Ｔｓｗｏ１、外気温度Ｔａ＝Ｔａ４として一定にした条件下において、入水温度Ｔｗｉが変動した場合のＦＭ回転数制御によるＦＭ回転数Ｎの変更を時系列的に示している。

ＦＭ回転数制御は、入水温度ＴｗｉがＴｗｉ２からＴｗｉ４、Ｔｗｉ５と順次上昇したとき、マップＭを参照することにより、入水温度Ｔｗｉの変動に伴いＦＭ回転数Ｎを段階的にＮ２からＮ３、Ｎ４に減少させる。
次に、図５は、外気温度Ｔａ＝Ｔａ３、入水温度Ｔｗｉ＝Ｔｗｉ６として一定にした条件下において、設定出湯温度Ｔｓｗｏを段階的に変更した場合のＦＭ回転数制御によるＦＭ回転数Ｎの変更を時系列的に示している。

ＦＭ回転数制御は、ユーザが設定ユニット３２において設定出湯温度ＴｓｗｏをＴｓｗｏ１からＴｓｗｏ３、Ｔｓｗｏ６と順次上昇したとき、ＦＭ回転数Ｎを段階的にＮ４からＮ３、Ｎ２に増加させる。
こうしたＦＭ回転数制御は、給湯装置１の運転開始時に検出された入水温度Ｔｗｉ及び外気温度Ｔａ並びに設定出湯温度Ｔｓｗｏに基づき決定されるＦＭ回転数Ｎで開始され、その後は所定の制御周期や所定の条件でＦＭ回転数Ｎを更新することにより継続して実施される。

このように、本実施形態では、入水温度Ｔｗｉ又は外気温度Ｔａの低下に伴い、或いは設定出湯温度Ｔｓｗｏの上昇に伴い、環境負荷Ｑｆが低下すると、これに伴いＦＭを給湯装置１のＣＯＰを最適にするＦＭ回転数Ｎまで段階的に増加して駆動する。すなわち、ＦＭ回転数制御のＦＭ回転数Ｎを決定するパラメータとして、ヒートポンプユニット２の内部、外部、運転に係る総てのパラメータに基づき算出された環境負荷Ｑｆを使用している。

特に、ヒートポンプユニット２側の冷媒と給湯ユニット４側のタンク水との間での熱交換が行われ、給湯装置１のＣＯＰを決定する上での重要な構成要素となる水熱交換器６での熱交換に直接に関わるパラメータたる入水温度ＴｗｉをＦＭ回転数Ｎの決定要素として用いることにより、給湯装置１のＣＯＰを大幅に向上することができる。
また、ＦＭ回転数Ｎを段階的に制御することにより、給湯ユニット４に給水されるタンク水の温度、入水温度Ｔｗｉ、又は外気温度Ｔａが変動したり、或いは、設定出湯温度Ｔｓｗｏがユーザに変更されたとしても、給湯装置１の運転状況に合わせて、大気からの熱を段階的に冷媒ひいてはタンク水に円滑に且つ安定して取り込むことができ、給湯装置１のＣＯＰを確実に向上することができる。

特に、夏季の外気温度Ｔａの高温時に、ＦＭ回転数Ｎを入水温度Ｔｗｉの上昇に伴い段階的に減少することにより、大気からの熱が必要でない条件下では、ＦＭ回転数Ｎを低く抑えることができるため、ファン１１の消費電力及び騒音を抑制しながら、圧縮機１２への負荷を低減し、且つＦＭを最適なＦＭ回転数Ｎで駆動しつつ、所望の出湯温度Ｔｗｏ、すなわち大気熱交換器１０ひいては水熱交換器６にて要求される吸熱量を得ることができる。

一方、冬季の外気温度Ｔａの低温時には、ＦＭを最適なＦＭ回転数Ｎで駆動できるため、大気熱交換器１０が適切に機能し、大気熱交換器１０のデフロストを遅延させることもできる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

例えば、上記実施形態ではＦＭ回転数Ｎの決定にマップを使用しているが、これに限定されず、演算式を用いてＦＭ回転数Ｎを決定するようにしても良い。
また、上記実施形態では冷媒にＣＯ_２ガスを使用しているがこれに限定されない。しかし、冷媒にＣＯ_２ガスを使用することにより、地球環境への負荷を軽減しつつ、上述した作用効果を得ることができる。

給湯装置を概略的に示した構成図である。図１の制御ユニットで定義されるマップを示した概略図である。設定出湯温度及び入水温度が一定の条件下において、外気温度が変動した場合のＦＭ回転数制御によるＦＭ回転数の変更を時系列的に示した図である。設定出湯温度及び外気温度が一定の条件下において、入水温度が変動した場合のＦＭ回転数制御によるＦＭ回転数の変更を時系列的に示した図である。外気温度及び入水温度が一定の条件下において、設定出湯温度が変動した場合のＦＭ回転数制御によるＦＭ回転数の変更を時系列的に示した図である。

符号の説明

１給湯装置
２ヒートポンプユニット
４給湯ユニット
６水熱交換器
８冷媒循環経路
１０大気熱交換器
１１ファン
１６貯湯循環経路
２６入水温度センサ（入水温度検出手段）
２８外気温度センサ（外気温度検出手段）
３０制御ユニット
３２設定ユニット（出湯温度設定手段）

Claims

ファンにて送風される大気とヒートポンプユニットの冷媒循環経路を流れる冷媒との間で熱交換を行い、前記冷媒を加熱する大気熱交換器と、
前記大気熱交換器を経由した冷媒と給湯ユニットの貯湯循環経路を流れるタンク水との間で熱交換を行い、前記タンク水を所定の出湯温度に加熱する水熱交換器と、
前記水熱交換器へ入水するタンク水の入水温度を検出する入水温度検出手段と、
前記ファンを駆動する制御ユニットとを備え、
前記制御ユニットは、前記入水温度検出手段にて検出される前記入水温度に応じて前記ファンの回転数を変更することを特徴とする給湯装置。
前記制御ユニットは、前記入水温度の上昇に伴い前記ファンの回転数を段階的に減少することを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
外気温度を検出する外気温度検出手段を更に備え、
前記制御ユニットは、前記外気温度検出手段にて検出される前記外気温度の低下に伴い前記ファンの回転数を段階的に増加することを特徴とする請求項１又は２に記載の給湯装置。
前記水熱交換器にて前記タンク水を前記所定の出湯温度に加熱すべく設定出湯温度を設定する出湯温度設定手段を更に備え、
前記制御ユニットは、前記設定出湯温度の上昇に伴い前記ファンの回転数を段階的に増加することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の給湯装置。
前記制御ユニットは、前記入水温度、前記外気温度、及び前記設定出湯温度に基づいて、前記ヒートポンプユニットの曝される環境負荷を算出し、該環境負荷の低下に伴い前記ファンの回転数を段階的に増加することを特徴とする請求項４に記載の給湯装置。
前記冷媒はＣＯ_２ガスであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の給湯装置。