JP2017198383A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプユニットとタンクユニットとの間をつなぐ冷媒配管の管路長の長・短で生じる冷媒吐出圧力や加熱能力の過大・過小による弊害を抑制する。【解決手段】ヒートポンプ式給湯装置は、Ｒ３２冷媒が用いられる冷媒配管がヒートポンプユニットとタンクユニットとの間をつなぐような管路長で延設され、冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと冷媒流出温度Ｔ２との温度差△Ｈが所定の目標温度差△Ｈｍとなるように電子膨張弁の開度が制御される。これにより、管路長が比較的短い場合であっても加熱能力Ｗを抑制し効率の良い運転を行うことができるとともに、冷媒吐出圧Ｐｏｕｔを低減して高くなり過ぎるのを防止できる。また管路長が比較的長い場合であっても、加熱能力Ｗが過小となるのを抑制し、タンクユニットにおいて前記湯切れが生じるのを防止できる。【選択図】図４

Description

この発明は、貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプユニットを備えた、ヒートポンプ式給湯装置に関するものである。

従来よりこの種のヒートポンプ式貯湯装置においては、特許文献１記載のように、ヒートポンプサイクルにおいて、圧縮機からの冷媒の吐出温度を一定とする（＝吐出温度一定制御）ものがあった。

特許３６０１３６９号公報

前記の従来技術においては、ヒートポンプサイクルを構成する前記圧縮機、前記水冷媒熱交換器、前記減圧器のすべてがヒートポンプユニット内に設けられており、水冷媒熱交換器の水側とタンクユニットの貯湯タンクとを接続する湯水配管が、前記ヒートポンプユニットと前記タンクユニットとの間に延設されていた。

これに対し、近年、ヒートポンプサイクルを構成する前記圧縮機、前記減圧器をヒートポンプユニット内に設ける一方、前記水冷媒熱交換器を前記タンクユニット内に設ける構成が考えられつつある。この場合、水冷媒熱交換器の冷媒側とヒートポンプユニットとを接続する冷媒配管が、前記ヒートポンプユニットと前記タンクユニットとの間をつなぐように延設されることになる。

このような場合、ユーザが必要とする設置態様（例えばヒートポンプユニットの設置箇所とタンクユニットの設置箇所とを離したい場合）に応じて、冷媒配管の管路長が長・短さまざまに変わりうることとなる。このため、前記吐出温度一定制御を行ったとき、例えば前記管路長が比較的短い場合には吐出圧力が高くなり過ぎ、前記冷媒配管の耐久性や前記圧縮機の信頼性が低下する可能性がある。また前記管路長が比較的長い場合は、前記ヒートポンプユニットによる加熱能力が低下し、タンクユニットにおいていわゆる湯切れが生じる懸念があるという問題があった。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１では、湯水を貯湯する貯湯タンク及び水冷媒熱交換器を備えたタンクユニットと、圧縮機、蒸発器を備えたヒートポンプユニットと、前記貯湯タンク内の湯水を目標沸き上げ温度に加熱するよう前記ヒートポンプユニットを制御する制御手段とを有し、前記水冷媒熱交換器の水側と前記貯湯タンクとを湯水配管で環状に接続して、前記タンクユニット内で湯水循環回路を形成し、減圧器、前記蒸発器、前記圧縮機と前記水冷媒熱交換器の冷媒側とを、冷媒配管で環状に接続して、前記ヒートポンプユニットと前記タンクユニットとに亘る冷媒循環回路を形成するヒートポンプ式給湯装置において、前記制御手段は、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度と前記水冷媒熱交換器から流出する冷媒の流出温度との温度差が、前記目標沸き上げ温度と外気温度と前記水冷媒熱交換器に流入する湯水の入水温度とに基づいて算出される所定の目標温度差となるように前記減圧器の開度を制御するものである。

また、請求項２では、前記冷媒循環回路の前記冷媒配管に用いられる冷媒は、Ｒ３２冷媒であるものである。

また、請求項３では、前記制御手段は、前記外気温度が高くなるほど前記所定の目標温度差の値が小さくなり、前記入水温度が高くなるほど前記所定の目標温度差の値が小さくなり、前記目標沸き上げ温度が高くなるほど前記所定の目標温度差の値が大きくなるように、当該目標温度差を算出するものである。

この発明の請求項１によれば、沸き上げ運転時には、冷媒循環回路の冷媒配管を循環する冷媒からの加熱により、水冷媒熱交換器において、温水循環回路の湯水配管に温水が生成される。生成された温水は、前記温水循環回路の湯水配管を介して、貯湯タンク内に供給される。

このとき、前記水冷媒熱交換器はタンクユニットに配置されており、前記温水循環回路はタンクユニット内に設けられる一方、前記冷媒循環回路はヒートポンプユニットからタンクユニットに亘って設けられる。すなわち、冷媒循環回路の前記冷媒配管は、ヒートポンプユニットとタンクユニットとの間をつなぐように延設されることとなる。この結果、ユーザが必要とする設置態様（例えばヒートポンプユニットの設置箇所とタンクユニットの設置箇所とを離したい場合）に応じて、冷媒配管の管路長が長・短さまざまに変わりうることとなる。

前記のように沸き上げ運転を行う場合の前記ヒートポンプユニットの制御として、前記圧縮機からの冷媒の吐出温度を一定にする吐出温度一定制御を行う場合、例えば前記管路長が比較的短い場合には吐出圧力が高くなり過ぎ、前記冷媒配管の耐久性や前記圧縮機の信頼性が低下する可能性がある。また前記管路長が比較的長い場合は、前記ヒートポンプユニットによる加熱能力が低下し、タンクユニットにおいていわゆる湯切れが生じる懸念がある。

そこで、請求項１によれば、制御手段が、前記ヒートポンプユニットの制御として、前記圧縮機からの冷媒の吐出温度と前記水冷媒熱交換器から流出する冷媒の流出温度との温度差が、（目標沸き上げ温度と外気温度と水冷媒熱交換器に流入する湯水の入水温度とに基づいて算出される）所定の目標温度差となるように前記減圧器の開度を制御する、目標温度差制御を行う。これにより、沸き上げ中、運転効率が高効率となる比エンタルピー差を保ちながらヒートポンプユニットを運転させることができるものである。

特に、前記減圧器の開度を制御することにより、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度及び前記水冷媒熱交換器から流出する冷媒の流出温度の双方が変化する結果、減圧器の開度変化に対する吐出温度と流出温度との温度差の温度変化量が大きく、吐出温度と流出温度との温度差を所定の目標温度差とするまでの制御速度が速く、すばやく高効率で運転させることができる。また、前記所定の目標温度差を目標沸き上げ温度、外気温度、入水温度に基づき算出することにより、外気温度や入水温度といった条件が刻々と変化する沸き上げ時において、その時その時で運転効率が高効率となる所定の目標温度差を確実に求めることができ、ヒートポンプユニットを高効率で運転させることができるものである。

そして、上記のようなヒートポンプユニットの制御態様とする結果、前記のようにして冷媒配管の管路長が比較的短い場合であっても、前記吐出温度一定制御に比べて能力の出過ぎを抑制し、効率の良い運転を行うことができる。また、吐出圧力を低減して高くなり過ぎるのを防止し、前記冷媒配管の耐久性や前記圧縮機の信頼性を確保することができる。同様に、前記冷媒配管の管路長が比較的長い場合であっても、前記吐出温度一定制御に比べて、前記水冷媒熱交換器において熱を多く交換でき、効率のよい運転を行うことができる。また、前記ヒートポンプユニットによる加熱能力が過小となるのを抑制し、タンクユニットにおいて前記湯切れが生じるのを防止することができるものである。

また、請求項２によれば、Ｒ３２冷媒を用いた冷媒配管の管路長が比較的短い場合であっても、前記冷媒配管の耐久性や前記圧縮機の信頼性を確保することができる。また、Ｒ３２冷媒を用いた前記冷媒配管の管路長が比較的長い場合であっても、タンクユニットにおいて前記湯切れが生じるのを防止することができるものである。

また、請求項３によれば、前記外気温度が高くなると目標温度差を小さく、前記入水温度が高くなると目標温度差を小さく、目標沸き上げ温度が高くなると目標温度差を大きくすることで、運転効率が高効率となる前記目標温度差を確実に求めることができ、前記ヒートポンプユニットを確実に高効率で運転させることができるものである。

本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯装置の概略構成図 沸き終い時のヒートポンプサイクルの状態と従来の沸き終い時のヒートポンプサイクルの状態とを比較した図 電子膨張弁の開度と制御パラメータとの関係を示した図 冷媒吐出温度一定制御を実行する比較例にて、冷媒管路の実際の管路長が種々変化したときの、各部の温度挙動、圧縮機の吐出圧挙動、給湯装置全体の加熱能力挙動についての実測結果を示した図、及び、目標温度差制御を実行する実施形態にて、冷媒管路の実際の管路長が種々変化したときの、各部の温度挙動、圧縮機の吐出圧挙動、給湯装置全体の加熱能力挙動についてのシミュレーション結果を示した図 加熱制御装置及び貯湯制御装置が協働して実行する制御手順を示すフローチャート図

次に、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ式給湯装置１００は、湯水を貯湯する貯湯タンク２を有したタンクユニット１と、前記貯湯タンク２内の湯水を加熱するヒートポンプユニット３と、を有している。

前記タンクユニット１は、冷媒を流通させる冷媒側の流路１５ａと水側の流路１５ｂとを有し、高温高圧の冷媒と貯湯タンク２内の湯水とを熱交換する水冷媒熱交換器１５と、加熱循環ポンプ１９（給水ポンプ）と、を備えている。すなわち、前記水冷媒熱交換器１５の前記水側の流路１５ａと前記貯湯タンク２とが湯水配管としての加熱往き管５及び加熱戻り管６によって環状に接続され、前記タンクユニット１内で湯水循環回路としての加熱循環回路４が形成されている。

加熱往き管５は、前記貯湯タンク２の下部に接続され、加熱戻り管６は、前記貯湯タンク２の上部に接続されている。前記加熱循環ポンプ１９は、前記加熱往き管５の途中に設けられ、前記水側の流路１５ａを介し前記加熱往き管５からの湯水を前記加熱戻り管６へ流通させつつ、貯湯タンク２の湯水を循環させる。なお、前記加熱往き管５には、前記水冷媒熱交換器１５の前記水側の流路１５ａに流入する入水温度Ｔ１（湯水の入口温度）を検出する入水温度センサ２３が設けられ、前記加熱戻り管６には、前記水側の流路１５ａから前記貯湯タンク２に向かって流出する沸き上げ温度Ｔｂを検出する沸き上げ温度センサ２４が設けられている。

貯湯タンク２の側面には、貯湯タンク２内の湯の温度を検出する貯湯温度センサ１２が上下にわたり複数設けられている。前記貯湯タンク２の下部にはまた、貯湯タンク２に水を給水する給水管７が接続され、前記貯湯タンク２の上部にはまた、貯湯されている高温水を出湯する出湯管８が接続され、給水管７からは給水バイパス管９が分岐して設けられている。さらに、出湯管８からの湯と給水バイパス管９からの水とを混合して給湯設定温度の湯とする混合弁１０と、混合弁１０で混合後の給湯温度を検出する給湯温度センサ１１と、が設けられている。

前記ヒートポンプユニット３は、冷媒を圧縮する圧縮機１４と、四方弁３１と、前記水冷媒熱交換器１５通過後の冷媒を減圧させる減圧器としての電子膨張弁１６と、電子膨張弁１６からの低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器としての空気熱交換器１７と、を備えている。そして、前記圧縮機１４と、前記四方弁３１と、前記圧縮機１４から吐出された冷媒が流通する前記水冷媒熱交換器１５の前記冷媒側の流路１５ｂと、前記電子膨張弁１６と、前記空気熱交換器１７とが、長さＬ（この例では例えばＬは約３［ｍ］程度）の冷媒配管１８で環状に接続されることにより、前記ヒートポンプユニット３と前記タンクユニット１とに亘る冷媒循環回路３０が形成されている。

冷媒循環回路３０内には、冷媒として、Ｒ３２冷媒（あるいは、二酸化炭素冷媒でもよい）が用いられ、超臨界ヒートポンプサイクルを構成している。前記圧縮機１４と前記水冷媒熱交換器１５の冷媒側の流路１５ｂとの間の冷媒配管１８には、圧縮機１４から吐出される冷媒の吐出温度Ｔｏｕｔを検出する吐出温度センサ２０が設けられ、前記冷媒側の流路１５ｂと前記電子膨張弁１６との間の冷媒配管１８には、前記冷媒側の流路１５ｂから流出し前記電子膨張弁１６に向かう冷媒の流出温度Ｔ２（冷媒の出口温度）を検出する流出温度センサ２１が設けられ、前記空気熱交換器１７の空気入口側には、外気温度Ｔａｉｒを検出する外気温度センサ２２が設けられ、前記空気熱交換器１７と前記圧縮機１４との間の冷媒配管１８には、圧縮機１４へ吸入される冷媒の冷媒吸入温度Ｔｉｎを検出する吸入温度センサ３２が設けられている。なお、前記水冷媒熱交換器１５には、前記冷媒が前記冷媒側の流路１５ａにおいて凝縮する際の冷媒凝縮温度Ｔｃｏｎを検出する凝縮温度センサ３３が設けられている。

そして、前記タンクユニット１には、前記した各センサ２３，２４，１２，１１及び各センサ２１，３３の検出結果が入力される貯湯制御装置４０が設けられている。同様に、前記ヒートポンプユニット３には、前記した各センサ２０，２２，３２の検出結果が入力される加熱制御装置５０が設けられている。制御手段としてのこれら加熱制御装置５０及び貯湯制御装置４０は、互いに通信可能に接続されており、前記各センサ２３，２４，１２，１１，２０，２２，３２の検出結果に基づき、相互に連携しつつ、前記タンクユニット１及び前記ヒートポンプユニット３内の各機器の動作を制御する。

次に、前記ヒートポンプユニット３を制御して前記貯湯タンク２内の湯水を加熱するために、前記加熱制御装置５０及び貯湯制御装置４０が実行する制御の概略について説明する。

例えば深夜時間帯となると、貯湯制御装置４０は、貯湯タンク２内の湯水が所定の目標沸き上げ温度Ｔｂｍになるように沸き上げ運転を開始するよう、加熱制御装置５０へ沸き上げ開始命令を指示する。そして、加熱制御装置５０は、沸き上げ運転において、前記外気温度センサ２２で検出した外気温度Ｔａｉｒと前記目標沸き上げ温度Ｔｂｍとに応じて設定される運転周波数で動作するように前記圧縮機１４を制御すると共に、前記貯湯制御装置４０を介して、前記沸き上げ温度センサ２４で検出する水冷媒熱交換器１５で加熱された湯の前記沸き上げ温度Ｔｂが前記目標沸き上げ温度Ｔｂｍになるように、前記加熱循環ポンプ１９の回転数をフィードバック制御する。

上述のような加熱制御装置５０による制御が行われながら、沸き上げ運転が進行していくと、貯湯タンク２の下部の水がヒートポンプユニット３へ循環され、貯湯タンク２の上部から、前記目標沸き上げ温度Ｔｂｍに加熱された湯が積層状態に貯湯される。貯湯タンク２内に必要な湯量が沸き上げられたことが前記貯湯温度センサ１２で検出されるか、若しくは、前記入水温度センサ２３で検出される前記入水温度Ｔ１が沸き上げし難い所定の高温度以上となるか、若しくは、電力料金単価の安い深夜時間帯が終了した時点で、貯湯制御装置４０は沸き上げ運転を停止するべく加熱制御装置５０に停止指示を出す。これに応じて、加熱制御装置５０は圧縮機１４と加熱循環ポンプ１９の運転を停止し、沸き上げ運転が終了される。なお、この沸き上げ運転の終了直前の沸き終い時においては、貯湯タンク２内の湯層と水層との間の混合層の湯水が水冷媒熱交換器１５の水側の流路１５ｂへ流入する結果、前記入水温度Ｔ１が徐々に上昇していく。

以上の基本構成及び作動である本実施形態のヒートポンプ式給湯装置１００において、前記水冷媒熱交換器１５がタンクユニット１内に配置されていることから、前記加熱循環回路４はタンクユニット１内に設けられる一方、前記冷媒循環回路３０はヒートポンプユニット３からタンクユニット１に亘って設けられる。この結果、冷媒循環回路３０の前記冷媒配管１８は、ヒートポンプユニット３とタンクユニット１との間をつなぐように、長さＬ（前述の例ではＬ≒３［ｍ］）に亘って延設されることとなる。この結果、ユーザが必要とする設置態様（例えばヒートポンプユニット３の設置箇所とタンクユニット１の設置箇所とを離したい場合）に応じて、冷媒配管１８の長さＬ（以下適宜、単に「管路長Ｌ」という）が長・短さまざまに変わりうることとなる。

本願発明者等は、前記のように冷媒配管１８の管路長Ｌが種々変化する場合に前記給湯装置１００において生じうる技術的課題を検証するために、本実施形態に対する比較例として、前記沸き上げ運転時の前記ヒートポンプユニット３の制御として、前記圧縮機１４からの冷媒の吐出温度を一定にする吐出温度一定制御を行い、各種温度・圧力値等を実測した。その結果を図４（ａ）により説明する。

図４（ａ）は、前記給湯装置１００の前記管路長Ｌを約３［ｍ］と想定し前記吐出温度一定制御が行われる前記比較例において、実際の前記管路長Ｌが約１．５［ｍ］から約８［ｍ］まで種々変化したときの、（前記沸き上げ運転が安定状態で前記入水温度Ｔ１が例えば約１０［℃］で一定である場合の）各部の温度挙動（上段）、圧縮機１４の吐出圧挙動（中段）、給湯装置１００全体の加熱能力挙動（下段）の各実測値を示している。横軸には前記管路長Ｌ［ｍ］の値をとり、縦軸には、温度［℃］、圧力［ＭＰａ］、加熱能力［ｋＷ］をそれぞれとって示している。

図４（ａ）上段に示すように、前記比較例では、圧縮機１４からの前記冷媒吐出温度Ｔｏｕｔは、前記吐出温度一定制御により管路長Ｌ≒１．５〜８［ｍ］の間で約１００［℃］でほぼ一定である。一方、前記管路長Ｌが長くなるほど冷媒配管１８内の冷媒の密度が低下して冷媒循環量が低下し、水冷媒熱交換器１５における冷媒側の流路１５ｂから水側の流路１５ａへの伝熱量が小さくなることから、前記冷媒流出温度Ｔ２は、管路長Ｌの増大にしたがって増大していく。この例では、管路長Ｌ≒１．５［ｍ］で前記冷媒流出温度Ｔ２は約１１［℃］であり、管路長Ｌ≒３［ｍ］では約１２［℃］に増大する。その後、前記冷媒流出温度Ｔ２は、管路長Ｌが当該３［ｍ］より長くなると急激に増大する挙動となり、管路長Ｌ≒８［ｍ］では約４０［℃］に達する。その一方で、前記吸入温度Ｔｉｎは、管路長Ｌ≒１．５〜８［ｍ］の間で約３［℃］でほぼ一定となる。

また、前記挙動の結果、図４（ａ）の中段に示すように、圧縮機１４からの前記冷媒吐出圧Ｐｏｕｔは、前記想定された管路長Ｌ（この例では３［ｍ］）よりも実際の管路長Ｌが長くなると標準値（この例では約３．８５［ＭＰａ］）よりも過小となる。一方、前記想定された管路長Ｌ（この例では３［ｍ］）よりも実際の管路長Ｌが短くなると前記冷媒吐出圧Ｐｏｕｔは前記標準値よりも過大となり、前記冷媒配管１８の耐久性や前記圧縮機１４の信頼性が低下する可能性がある。

さらに、図４（ａ）の下段に示すように、給湯装置１００全体の加熱能力Ｗについても、前記想定された管路長Ｌ（この例では３［ｍ］）よりも実際の管路長Ｌが短くなると標準値（この例では約４．２［ｋＷ］）よりも過大となる。一方、前記想定された管路長Ｌ（この例では３［ｍ］）よりも実際の管路長Ｌが長くなると前記加熱能力Ｗは前記標準値よりも過小となり、前記ヒートポンプユニット３による加熱能力が低下し、タンクユニット１においていわゆる湯切れが生じる懸念がある。

これに対して、本実施形態では、加熱制御装置５０が、（前記吐出温度一定制御ではなく）前記吐出温度センサ２０の検出する冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと前記流出温度センサ２１の検出する冷媒流出温度Ｔ２との温度差△Ｈが、所定の目標温度差△Ｈｍとなるように、前記電子膨張弁１６の開度を所定の周期でフィードバック制御する（＝目標温度差制御）。具体的には、加熱制御装置５０は、△Ｈ＜△Ｈｍの場合は、電子膨張弁１６の開度を閉じる方向に制御し、△Ｈ＞△Ｈｍの場合は、電子膨張弁１６の開度を開く方向に制御する（△Ｈ＝△Ｈｍの場合は、電子膨張弁１６の開度を現状のまま維持する）。なお、前記目標沸き上げ温度Ｔｂｍは、過去の給湯量の最大値や平均値等の給湯実績から、翌日の給湯量の予測量を確保できるように貯湯制御装置４０によって算出されるもので、例えば６５℃から９０℃の範囲で決定されるものである。

また、加熱制御装置５０は、前記目標温度差△Ｈｍを、前記外気温度センサ２２が検出する外気温度Ｔａｉｒと、前記入水温度センサ２３の検出する入水温度Ｔ１と、前記目標沸き上げ温度Ｔｂｍとに基づいて、次式により算出する。
△Ｈｍ＝Ｔａｉｒ×Ａ＋Ｔ１×Ｂ＋Ｔｂｍ×Ｃ＋Ｄ ・・・ （１）
（ここで、Ａ、Ｂは負の係数、Ｃは正の係数、Ｄは固定値である。）

前記所定の目標温度差△Ｈｍは、前記式（１）より、外気温度Ｔａｉｒが高くなる程、値が小さくなっていき、入水温度Ｔ１が高くなる程、値が小さくなっていき、目標沸き上げ温度Ｔｂｍが高くなる程、値が大きくなる。すなわち、外気温度Ｔａｉｒや入水温度Ｔ１といった条件が刻々と変化する沸き上げ運転中において、前記式（１）により、その時その時でヒートポンプユニット３の運転効率が最大効率となる所定の目標温度差△Ｈｍを確実に求めることができ、ヒートポンプユニット３を高効率で運転させることができる。なお、前記所定の目標温度差△Ｈｍの算出は沸き上げ運転中常時行われるものであってもよく、電子膨張弁１６の開度をフィードバック制御する所定の周期にあわせて行ってもよいものである。

以上のようにして、本実施形態では、前記温度差△Ｈが前記目標温度差△Ｈｍとなるように前記電子膨張弁１６の開度を制御する、前記目標温度差制御を行うことにより、沸き上げ中、運転効率が高効率となる比エンタルピー差を保ちながらヒートポンプユニット３を運転することができる。このことを図２により説明する。

図２において、本実施形態での前記沸き上げ運転における前記ヒートポンプサイクルの状態は、図２中の破線で示した安定時の状態から、図２中の実線で示した沸き終い時の状態となる。なお、図２中の一点鎖線は、前記目標温度差制御を行わない通常の場合（従来手法の場合）を比較のために示したものである。図２に示すように、本実施形態では、前記した目標温度差制御により、吐出温度センサ２０の検出する前記冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと流出温度センサ２１の検出する前記冷媒温度との温度差△Ｈが、前記目標温度差△Ｈｍとなるように電子膨張弁１６の開度が制御される。これにより、水冷媒熱交換器１５の前記水側の流路１５ａに流入する湯水の前記入水温度Ｔ１が高くなっても、それに応じて最適な目標温度差△Ｈｍを算出することができ、前記温度差△Ｈを、算出した最適な目標温度差△Ｈｍに保つことができる。この結果、沸き上げ運転中、特に、水冷媒熱交換器１５の水側の流路１５ａに流入する入水温度Ｔ１が高くなる前記沸き終い時においても、運転効率が最大となる比エンタルピー差を保ちながらヒートポンプユニット３を運転させることができるものである。

また、本実施形態では特に、前記電子膨張弁１６の開度を制御して前記目標温度差制御を行うことにより、前記圧縮機１４から吐出される冷媒吐出温度Ｔｏｕｔ及び前記水冷媒熱交換器１５から流出する冷媒流出温度Ｔ２の双方が変化する結果、電子膨張弁１６の開度変化に対する前記冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと前記冷媒流出温度Ｔ２との温度差の温度変化量が大きく、冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと冷媒流出温度Ｔ２との温度差を所定の目標温度差△Ｈｍとするまでの制御速度が速く、すばやく高効率で運転させることができる。このことを図３により説明する。

図３は、前記沸き上げ運転中のある一定条件下での電子膨張弁１６の開度に対する制御パラメータの関係を表す。横軸は電子膨張弁１６の開度、縦軸は電子膨張弁１６の開度制御によって制御される制御パラメータ（ここでは圧縮機１４からの冷媒吐出温度Ｔｏｕｔ、水冷媒熱交換器１５からの冷媒流出温度Ｔ２、及びそれらの温度差△Ｈ）である。

図３に示すように、本実施形態では、電子膨張弁１６の開度を変化させると、圧縮機１４から吐出される冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと水冷媒熱交換器１５から流出する冷媒流出温度Ｔ２との双方が変化する。これにより、図３中の太実線で示されるように、電子膨張弁１６の開度変化１パルス当たりの温度変化量が大きくなるので、冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと冷媒流出温度Ｔ２との温度差△Ｈを所定の目標温度差△Ｈｍとするまでの制御速度を速くすることができ、制御性が良く、ヒートポンプユニット３をすばやく最大効率で運転させることができるものである。

そして、本実施形態においては、前記のような目標温度差制御を行うことにより、前記図４（ａ）において説明したような、前記冷媒吐出圧Ｐｏｕｔ及び前記加熱能力Ｗの過小・過大による弊害や懸念を解消することができる。このことを図４（ｂ）により説明する。

すなわち、図４（ｂ）は、予め前記管路長Ｌを前記の約３［ｍ］と想定して上記△Ｈｍを設定した（言い換えれば前記係数Ａ，Ｂ，Ｃの値及び固定値Ｄの値を設定した）場合において、実際の管路長Ｌが約１［ｍ］から約８［ｍ］まで種々変化したときの、図４（ａ）と同様の、（前記沸き上げ運転が安定状態で前記入水温度Ｔ１が例えば約１０［℃］で一定である場合の）各部の温度挙動（上段）、圧縮機１４の吐出圧挙動（中段）、給湯装置１００全体の加熱能力挙動（下段）について、本願発明者等が行ったシミュレーション結果を示している。

図４（ｂ）上段に示すように、この例では、圧縮機１４からの前記冷媒吐出温度Ｔｏｕｔは、管路長Ｌ≒１［ｍ］で約１００［℃］であり、管路長Ｌの増大にしたがって緩やかに増大し、管路長Ｌ≒３［ｍ］で約１０１［℃］、管路長Ｌ≒４．５［ｍ］で約１０３［℃］、管路長Ｌ≒８［ｍ］で約１２５［℃］となる。このとき、前記したようにして前記目標温度差制御が行われ、前記冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと前記水冷媒熱交換器１５の冷媒側の流路１５ｂからの前記冷媒流出温度Ｔ２との差△Ｈが、前記式（１）で算出される（すなわち管路長Ｌに関しては無関係な一定値となる）目標温度差△Ｈｍとされる結果、前記冷媒流出温度Ｔ２についても、前記冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと略同一の増大挙動となる。すなわち、冷媒流出温度Ｔ２は、管路長Ｌ≒１［ｍ］で約１１［℃］であり、管路長Ｌの増大にしたがって緩やかに増大し、管路長Ｌ≒３［ｍ］で約１２［℃］、管路長Ｌ≒４．５［ｍ］で約１５［℃］、管路長Ｌ≒８［ｍ］で約３０［℃］となる。また、前記吸入温度Ｔｉｎも同様の挙動となり、管路長Ｌ≒１［ｍ］で約３［℃］であり、管路長Ｌの増大にしたがって緩やかに増大し、管路長Ｌ≒３［ｍ］で約４．５［℃］、管路長Ｌ≒４．５［ｍ］で約８［℃］、管路長Ｌ≒８［ｍ］で約２８［℃］となる。なお、図４（ｂ）上段中には、前記水冷媒熱交換器１５の前記冷媒側の流路１５ｂにおける冷媒蒸発温度Ｔｅｖａ（前記外気温度センサ２２により検出される前記外気温度Ｔａに略等しい）の挙動についても併せて示している（前記図４（ａ）も同様）。

このような挙動の結果、図４（ｂ）の中段に示すように、前記冷媒吐出圧Ｐｏｕｔは、実際の管路長Ｌが前記想定された管路長Ｌ（この例では３［ｍ］）よりも短い場合（以下適宜、単に「短管路長側」という）において値の増大が抑制されて図４（ａ）中段に示した値よりも標準値（この例では約３．８５［ＭＰａ］）に近づき、実際の管路長Ｌが前記想定された管路長Ｌ（この例では３［ｍ］）よりも長い場合（以下適宜、単に「長管路長側」という）においても値が底上げされて前記標準値に近づき、なるべく広い管路長Ｌの範囲にわたって標準値に近い値とすることができる。これにより、短管路長側において冷媒吐出圧Ｐｏｕｔが高くなり過ぎるのを防止し、前記冷媒配管１８の耐久性や前記圧縮機１４の信頼性を確保することができるものである。

同様に、図４（ｂ）の下段に示すように、給湯装置１００全体の加熱能力Ｗについても、前記長管路長側において値が底上げされて前記標準値（この例では約４．２［ｋＷ］に近づき、なるべく広い管路長Ｌの範囲にわたって標準値に近い値とすることができる。これにより、短管路長側において前記吐出温度一定制御に比べて加熱能力Ｗが過大となるのを抑制し、効率の良い運転を行うことができる。また長管路長側においても、前記吐出温度一定制御に比べて前記水冷媒熱交換器１５において熱を多く交換し効率のよい運転を行うことができるので、前記加熱能力Ｗが過小となるのを抑制し、タンクユニット１において前記湯切れが生じるのを防止することができるものである。

次に、以上の手法を実現するために、前記加熱制御装置５０及び前記貯湯制御装置４０（以下適宜、単に「制御装置５０，４０」という）が協働して実行する制御手順を図５のフローチャートにより説明する。図５において、まずステップＳ１０で、制御装置５０，４０は、給湯装置１００が運転開始状態となったか否かを判定する。具体的には、運転開始状態とは、例えば、設置業者等のユーザ（操作者）による適宜の給湯装置１００の沸き上げ運転の開始操作がなされることで停止状態から起動される場合、若しくは、後述の待機状態から復帰して給湯装置１００の運転が再び開始される場合（詳細は後述）、である。運転開始状態となるまではステップＳ１０の判定が満たされず（Ｓ１０：Ｎｏ）ループ待機し、運転開始状態となるとステップＳ１０の判定が満たされ（Ｓ１０：Ｙｅｓ）、ステップＳ２０に移る。

ステップＳ２０では、制御装置５０，４０は、前記外気温度センサ２２が検出する外気温度Ｔａｉｒと、前記入水温度センサ２３が検出する入水温度Ｔ１と、前記目標沸き上げ温度Ｔｂｍとに基づき、前記式（１）により、対応する前記目標温度差△Ｈｍを決定する。その後、ステップＳ３０に移る。

ステップＳ３０では、制御装置５０，４０は、前記ステップＳ１０により開始された沸き上げ運転が安定状態となったか否か、を判定する。具体的には、前記沸き上げ温度センサ２４により検出される前記沸き上げ温度Ｔｂが（前記運転開始よりも前に予め算出されている）前記目標沸き上げ温度Ｔｂｍに到達して３０分以上が経過し、かつ、前記吐出温度センサ２０が検出する冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと前記流出温度センサ２１が検出する冷媒流出温度Ｔ２との前記温度差△Ｈが前記ステップＳ２０で決定された前記目標温度差△Ｈｍに到達して３０分以上が経過したか否か、が判定される。このような安定状態になるまではステップＳ３０の判定が満たされず（Ｓ３０：Ｎｏ）ループ待機し、安定状態になったらステップＳ３０の判定が満たされ（Ｓ３０：Ｙｅｓ）、ステップＳ４０に移る。

ステップＳ４０では、制御装置５０，４０は、前記ステップＳ２０で決定された前記目標温度差△Ｈｍに基づき、前記吐出温度センサ２０の検出する冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと前記流出温度センサ２１の検出する冷媒流出温度Ｔ２との温度差△Ｈが当該目標温度差△Ｈｍとなるように、前記電子膨張弁１６の開度を制御する。その後、ステップＳ５０に移る。

ステップＳ５０では、制御装置５０，４０は、給湯装置１００が運転終了状態となったか否かを判定する。すなわち、既に述べたように、（貯湯タンク２内に必要な湯量が沸き上げられたことが前記貯湯温度センサ１２で検出されるか、若しくは、前記入水温度センサ２３で検出される前記入水温度Ｔ１が沸き上げし難い所定の高温度以上となるか、若しくは、電力料金単価の安い深夜時間帯が終了したことで）前記貯湯制御装置４０から停止指示が加熱制御装置５０に出力された場合、給湯装置１００の運転が自動停止され、待機状態となる（すなわち、いったん給湯装置１００の運転が終了される）。ステップＳ５０では、制御装置５０，４０は、給湯装置１００がこの待機状態となったか否かを判定するものである。運転終了状態（すなわち待機状態）となっていない間はステップＳ５０の判定が満たされず（Ｓ５０：Ｎｏ）、前記ステップＳ２０に戻り、前記したステップＳ２０→ステップＳ３０→ステップＳ４０→・・の流れを繰り返す。

一方、ステップＳ５０において、給湯装置１００が運転終了状態（すなわち待機状態）となっていた場合は判定が満たされ（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、前記ステップＳ１０に戻る。このときのステップＳ１０における前記運転開始状態となったか否かの判定は、前記待機状態が解除されたか否かの判定となる。すなわち、前記のようにして待機状態となった後、再び、貯湯タンク２内の沸き上げ湯量が必要な量に対し足りなくなったことが前記貯湯温度センサ１２で検出されたり、若しくは、前記入水温度センサ２３で検出される前記入水温度Ｔ１が前記所定の高温度未満となったり、若しくは、次の日の深夜時間帯に突入したり、等になると、公知の制御により給湯装置１００の運転が再び開始される。したがってこのときのステップＳ１０では、制御装置５０，４０は、給湯装置１００がこのようにして待機状態から復帰して運転再開されたか否かを判定するものである。運転が再開されてステップＳ１０の判定が満たされると前記したステップＳ２０→ステップＳ３０→ステップＳ４０→ステップＳ５０・・の流れを繰り返す。

なお、図示を省略しているが、以上の各手順における任意のタイミングでユーザ（操作者）による適宜の運転終了操作がなされた場合には、このフローは終了され、給湯装置１００が停止する。

以上説明したように、本実施形態のヒートポンプ式給湯装置１００によれば、Ｒ３２冷媒（あるいは、二酸化炭素冷媒でもよい）が用いられる冷媒配管１８がヒートポンプユニット３とタンクユニット１との間をつなぐように管路長Ｌで延設される構成において、冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと冷媒流出温度Ｔ２との温度差△Ｈが所定の目標温度差△Ｈｍとなるように前記電子膨張弁１６の開度を制御する、目標温度差制御が行われる。これにより、図４（ｂ）を用いて前述したように、前記冷媒配管１８の管路長Ｌが比較的短い場合であっても、前記吐出温度一定制御に比べて前記加熱能力Ｗを抑制し効率の良い運転を行うことができるとともに、前記冷媒吐出圧Ｐｏｕｔを低減して高くなり過ぎるのを防止し前記冷媒配管１８の耐久性や前記圧縮機１４の信頼性を確保することができる。同様に、前記冷媒配管１８の管路長Ｌが比較的長い場合であっても、前記吐出温度一定制御に比べて、前記水冷媒熱交換器１５において熱を多く交換し効率のよい運転を行うことができるとともに、前記加熱能力Ｗが過小となるのを抑制し、タンクユニット１において前記湯切れが生じるのを防止することができるものである。

また、本実施形態では特に、前記外気温度Ｔａｉｒが高くなると前記目標温度差△Ｈｍを小さく、前記入水温度Ｔ１が高くなると前記目標温度差△Ｈｍを小さく、前記目標沸き上げ温度Ｔｂｍが高くなると前記目標温度差△Ｈｍを大きくする。これにより、運転効率が高効率となる前記目標温度差△ｈｍを確実に求めることができ、前記ヒートポンプユニット３を確実に高効率で運転させることができるものである。

なお、本発明は以上の態様に限定されることなく、その趣旨を変更しない範囲で適用可能なもので、例えば、前記電子膨張弁１６は、タンクユニット１内の冷媒配管１８の流出温度センサ２１の下流側に設けた構成としてもよく、また、前記ヒートポンプサイクルとしては、減圧器としてエジェクターを用いたエジェクターサイクルでもよいものである。

また、前記ヒートポンプサイクルでは、水冷媒熱交換器１５を通過した後の高圧冷媒と圧縮機１４の吸入側の低圧冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器（図示せず）を備えた構成としてもよい。この場合、前記流出温度センサ２１は、水冷媒熱交換器１５より下流側で、高圧冷媒が通過する前記内部熱交換器より上流側の冷媒温度を検出する位置に配設され、前記吐出温度センサ２０の検出する冷媒吐出温度Ｔｏｕｔと前記流出温度センサ２１の検出する冷媒温度との温度差△Ｈが所定の目標温度差△Ｈｍとなるように電子膨張弁１６の開度が制御され、これによって、前記と同様の効果を得られるものである。

１ タンクユニット
２ 貯湯タンク
３ ヒートポンプユニット
４ 加熱循環回路（湯水循環回路）
５ 加熱往き管（湯水配管）
６ 加熱戻り管（湯水配管）
１４ 圧縮機
１５ 水冷媒熱交換器
１６ 電子膨張弁（減圧器）
１７ 空気熱交換器（蒸発器）
１８ 冷媒配管
１９ 加熱循環ポンプ
３０ 冷媒循環回路
４０ 貯湯制御装置（制御手段）
５０ 加熱制御装置（制御手段）
１００ ヒートポンプ式給湯装置
△Ｈ 冷媒吐出温度と冷媒流出温度との温度差
△Ｈｍ 目標温度差
Ｌ 冷媒配管の管路長
Ｔ１ 入水温度
Ｔ２ 冷媒流出温度
Ｔａｉｒ 外気温度
Ｔｂｍ 目標沸き上げ温度
Ｔｃｏｎ 冷媒凝縮温度
Ｔｅｖａ 冷媒蒸発温度
Ｔｉｎ 冷媒吸入温度
Ｔｏｕｔ 冷媒吐出温度
Ｗ 加熱能力

Claims (3)

1. 湯水を貯湯する貯湯タンク及び水冷媒熱交換器を備えたタンクユニットと、
   圧縮機、蒸発器を備えたヒートポンプユニットと、
   前記貯湯タンク内の湯水を目標沸き上げ温度に加熱するよう前記ヒートポンプユニットを制御する制御手段と
   を有し、
   前記水冷媒熱交換器の水側と前記貯湯タンクとを湯水配管で環状に接続して、前記タンクユニット内で湯水循環回路を形成し、
   減圧器、前記蒸発器、前記圧縮機と前記水冷媒熱交換器の冷媒側とを、冷媒配管で環状に接続して、前記ヒートポンプユニットと前記タンクユニットとに亘る冷媒循環回路を形成するヒートポンプ式給湯装置において、
   前記制御手段は、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度と前記水冷媒熱交換器から流出する冷媒の流出温度との温度差が、前記目標沸き上げ温度と外気温度と前記水冷媒熱交換器に流入する湯水の入水温度とに基づいて算出される所定の目標温度差となるように前記減圧器の開度を制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記冷媒循環回路の前記冷媒配管に用いられる冷媒は、Ｒ３２冷媒である
   ことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
3. 前記制御手段は、
   前記外気温度が高くなるほど前記所定の目標温度差の値が小さくなり、前記入水温度が高くなるほど前記所定の目標温度差の値が小さくなり、前記目標沸き上げ温度が高くなるほど前記所定の目標温度差の値が大きくなるように、当該目標温度差を算出することを特徴とする請求項１または請求項２記載のヒートポンプ式給湯装置。

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