JP3864981B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来のヒートポンプ給湯装置としては、特許文献１に記載されているような給湯装置が提案されていた。この特許文献１におけるヒートポンプ給湯装置は図６に示すように、閉回路に構成される冷媒流路１で圧縮機２、放熱器３、減圧手段４、吸熱器５が接続された冷媒循環回路７と、放熱器３の冷媒流路ａ８と熱交換を行う水流路９を備えた熱交換器１０と、この水流路９に水道水を供給する給水管１１と、前記水流路９とシャワーや蛇口等の給湯端末１２とを接続する給湯回路１３と、給湯回路１３に設け給湯温度を検出する温度センサ１４と、圧縮機２の回転数を制御するインバータ１５を備え、圧縮機２を温度センサ１４の検出温度と設定温度との差に応じてインバータ１５の出力周波数を変換するようにしていた。すなわち従来の給湯装置では設定温度に対して給湯温度が低い場合は圧縮機２の回転数を上げ、給湯温度が高い場合は回転数を下げるように制御するようにしていた。
特開平２−２２３７６７号公報

しかし、上記従来例の給湯装置の構成では、給湯時における給湯負荷が一定ではない。特に流量は使用者が給湯目的によってさまざまに変化させるために給湯負荷は大きく変ってしまう。例えば家庭用の給湯の場合、シャワーや風呂への湯張りに給湯する場合は１０〜２０Ｌ／ｍｉｎの大流量となるが、台所で食器を洗う場合や洗面への給湯では３〜５Ｌ／ｍｉｎと少流量である。また、季節による給水温度の変化によっても給湯負荷は大きく変る。

こうした流量や水温の変化により大きくかわる給湯負荷を、従来のヒートポンプ給湯装置のように給湯温度と設定温度の差により圧縮機の回転数を変えて給湯熱量を制御するだけでは、給湯負荷がヒートポンプ装置の給湯加熱能力を超えてしまうと、目標とする温度より低い温度の湯が出てしまい、使用者に不快感を与えてしまう問題があった。

また、従来例のようなヒートポンプ給湯装置は給湯の開始時に冷媒循環回路全体の圧力や温度の立上がりに時間を要するため、熱交換器の水流路からの出湯温度の上昇に遅れが生じる。この給湯開始時に従来の構成では、給湯温度と設定温度の差だけで圧縮機の回転数を設定するだけなので、大流量の給湯では目標の湯温に達するのに時間がかかっていた。

以上のように従来のヒートポンプ給湯装置では大流量などの給湯負荷が大きい場合に目標温度の給湯ができなかったり、目標温度に達するのに時間がかかったりといった問題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、湯温の制御性がよく、湯温の立上りの早いヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、前記放熱器と熱交換を行う水流路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記水流路の水量を調節する水量調節手段と、前記給湯回路の流量を検出する流量検知手段とを有し、前記流量検知手段が水量を検知せず給湯停止中と判定した場合は、給湯が停止してから所定時間が経過した時、前記水量調整手段の開度を所定開度に絞った状態とすることを特徴とするヒートポンプ給湯装置とする。
給湯開始時における冷媒循環回路の温度や圧力の立ち上がり時間は、水流路に流れる水量が多いと熱交換器から取られる熱量も多くなるために長くなる。そのため、水流路からの出湯温度の上昇速度も遅くなり、目標温度に到達するまでに長い時間を要するが、本発明によれば、給湯開始時に水量調節手段により水量を低下させるので、冷媒循環回路や熱交換器の温度上昇を早め、出湯温度が目標温度に到達する時間を短縮することができる。

また、圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、前記放熱器と熱交換を行う水流路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記給湯回路の水量を調節する水量調節手段と、前記給湯回路の流量を検出する流量検知手段とを有し、給湯開始時には前記水量調節手段を予め所定量だけ絞った初期開度に設定するとともに、前記流量検知手段が水量を検知して給湯中と判定した場合は、給湯が開始されてから所定時間が経過した時、前記水量調整手段の開度を全開とすることを特徴とするヒートポンプ給湯装置とする。

この発明によれば、給湯が開始されてから所定時間が経過するまでは水量を低下させることにより、出湯温度の上昇速度を早めて、所定時間に達した段階で水量低下を解除するので、それ以降本来の給湯流量で給湯ができる。

以上のように、本発明によれば、給湯制御の応答性と安定性がよく、湯温の立上りの早いヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

請求項１記載の発明は、圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、前記放熱器と熱交換を行う水流路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記水流路の水量を調節する水量調節手段と、前記給湯回路の流量を検出する流量検知手段とを有し、前記流量検知手段が水量を検知せず給湯停止中と判定した場合は、給湯が停止してから所定時間が経過した時、前記水量調整手段の開度を所定開度に絞った状態とすることを特徴とするヒートポンプ給湯装置とする。

給湯開始時における冷媒循環回路の温度や圧力の立ち上がり時間は、水流路に流れる水量が多いと熱交換器から取られる熱量も多くなるために長くなる。そのため、水流路からの出湯温度の上昇速度も遅くなり、目標温度に到達するまでに長い時間を要するが、本発明によれば、給湯開始時に水量調節手段により水量を低下させるので、冷媒循環回路や熱交換器の温度上昇を早め、出湯温度が目標温度に到達する時間を短縮することができる。

請求項２記載の発明は、圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、前記放熱器と熱交換を行う水流路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記給湯回路の水量を調節する水量調節手段とを備え、前記流量検知手段が水量を検知して給湯中と判定した場合は、給湯が開始されてから所定時間が経過した時、前記水量調整手段の開度を全開とすることを特徴とするヒートポンプ給湯装置とする。

この発明によれば、給湯が開始されてから所定時間が経過するまでは水量を低下させることにより、出湯温度の上昇速度を早めて、所定時間に達した段階で水量低下を解除するので、それ以降本来の給湯流量で給湯ができる。

以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、従来例および各実施例において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。

（実施例１）
図１は本発明の実施例１におけるヒートポンプ式給湯装置の構成図である。図１において、７は冷媒循環回路で、圧縮機２、放熱器３、減圧手段４、吸熱器５が冷媒流路１により閉回路に接続されている。この冷媒循環回路７は、例えば炭酸ガス（CO2）を冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。そして圧縮機２は、内蔵する電動モータ（図示しない）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力を超える圧力まで圧縮して吐出する。また、１０は放熱器３の冷媒流路ａ８と熱交換を行う水流路９を備えた熱交換器である。この水流路９に水道水を直接供給する給水管１１と、水流路９から出湯される湯をシャワー１６や蛇口１７等より成る給湯端末１２の通水させるための給湯回路１３が接続されている。そして１８は水流路９の水量を調節する水量調節手段で、電動の絞り弁により構成され給水管１１に設けている。

１９は制御手段で、給湯回路１３への給湯熱量である給湯負荷を求める給湯負荷検知手段２０と、熱交換器１０での水流路９の加熱量を検知する熱量検知手段２１と、圧縮機の周波数と減圧手段とを制御する加熱制御手段２２とを有している。

制御手段１９は、予め水量調節手段１８である絞り弁を所定量だけ駆動させ、給湯開始時の水量を低下させるように制御するとともに、給湯負荷検知手段２０の値が熱量検知手段２１の値を超える場合に、給湯負荷検知手段２０の値が熱量検知手段２１の値と一致するように水量調整手段１８により水流路９の水量を低下させるように制御する。

給水管１１には、給湯回路１３の流量を検出する流量検知手段２３と、熱交換器１０への給水温度を検出する水温検知手段２４が設けられている。そして給湯回路１３には水流路９からの出湯温度を検出する湯温検知手段２５が設けられている。２６は給湯の目標温度を設定する温度設定手段で、使用者が任意に温度を設定する。２７は気温を検出する外気温度検知手段である。

熱交換器１０は、冷媒流路ａ８の流れ方向と水流路９の流れ方向を対向流とし、各流路間を熱移動が容易になるように密着して構成している。この構成により冷媒流路ａ８と水流路９の伝熱が均一化し、熱交換効率がよくなる。また、高温の出湯も可能になる。

加熱制御手段２２は、圧縮機２の回転数を変更する周波数制御手段２８を備え、湯温検知手段２５と温度設定手段２６とのそれぞれが出力する出湯温度と目標温度との偏差が少なくなるように圧縮機２の周波数を公知のＰＩＤ（図示せず）により制御する。また、加熱制御手段２２は圧縮機２の冷媒吐出温度が所定の温度で、かつ冷媒循環回路７の圧力バランスを適性になるように減圧手段４の開度を制御する。

図２は実施例１における給湯開始時の水量調整手段１８の制御フローチャートである。図２において、３０は給湯中であるかを判定する。判定条件は流量検知手段２３が水量を検知したら給湯中と判定する。そして、水量がなく停止中と判定した場合は、３１に進む。ここでは給湯が停止してから１０分が経過したかを判定し、１０分が経過していれば、３２で水量調整手段１８の初期開度６０％を設定する。３１で１０分未満であると判定された場合は、３２の初期開度の設定を行わない。３１における１０分は、給湯の再起動時に水量を減少させて行うかどうかを決定する時間であり、冷媒循環回路７および熱交換器１０の冷却速度により設定するもので、冷えやすい条件であれば短い時間を設定し、冷えにくい条件であれば長い時間を設定するものである。

３０において給湯中と判定されれば３４へ進み、ここでは給湯開始から５分が経過したかどうかを判定し、５分が経過していれば、３５で水量調整手段１８の開度を全開１００％に戻す設定を行う。３４で５分未満であっても、３６で出湯温度Thwが目標温度Tset−５Ｋを超えていれば、３５で水量調整手段１８の開度を全開に戻す設定を行う。そして、３４と３６の条件が成り立たない場合は水量調整手段１８の開度は初期開度のままとなる。

なお３２における初期開度６０％は、使用者に違和感なく水量を低減できるレベルで、出湯温度の立上りが早くなる値に設定する必要があり、予め実験的に決定すべき値である。

この発明によれば、水流路の出湯温度が所定値に達するまでは水量を低下させることにより、出湯温度の上昇速度を早めて、所定値に達した段階で水量低下を解除するので、それ以降本来の給湯流量で給湯ができる。

図３は実施例１における給湯時の水量調整手段１８の制御フローチャートである。図３において、４０は給湯負荷検知手段２０の給湯負荷算定を示す。ここでは、水温検知手段２４の検出する水温Ｔｗ（℃）と温度設定手段２６の設定する目標温度Ｔｓｅｔ（℃）との差に、流量検知手段２３の検出する流量Ｗ（Ｌ／ｍｉｎ）を乗じて、これに変換係数（６０／８６０）を乗じて給湯負荷Ｑｈｗ（ｋＷ）を求めている。なお、算出精度は悪くなるが給湯負荷の算定は水温を代表的な固定値としてもよいし、目標温度を固定値としてもよい。これによれば水温検知手段２４や温度設定手段２６が不要になったり、故障時でも稼動できたりする。

４１では熱量検知手段２１での加熱量Ｑｈｘ（ｋＷ）の設定を示す。これは、外気温度検知手段２７の検出する外気温度Ｔｏ（℃）と水温検知手段２４の水温Ｔｗから加熱量のテーブル４２から加熱量Ｑｈｘを読み込む。このテーブル４２の値は外気温度と水温の組合わせ条件における最大加熱量を予め実験により求めて設定しておく。このテーブルは数式でもよい。また、外気温度と水温と目標温度の３元の加熱量のテーブルとしてもよいし、外気温度と水温と目標温度の中から別の２つの要素からなる２元のデータでもよいし、加熱量の制度は悪くなるが、それぞれひとつの要素だけの１元のテーブルでもよい。これにより実験量が少なくかつメモリーが小さくできる。

４３は給湯負荷Ｑｈｗが加熱量Ｑｈｘを超える条件の場合は、４４で水量調整手段１８による水量低下のための開度低減設定を行う。一方４３でＱｈｗの方がＱｈｘより小さければ、４５で水量調整手段１８による水量復帰のための開度増加設定を行う。ここでの制御は、給湯負荷が加熱量を超える条件の場合に、給湯負荷が加熱量と一致するように水量を低下させるように作用する。そして４６、４７で開度低減の上限値を定め、４８，４９で開度低減の下限値を定めている。下限値として−７０％を設定しているのは異常時等により水量調整手段１８の絞りが進んでも最低３０％の開度を確保して、全閉になって給湯停止に到らないようにしている。

５０は水量調整手段１８の開度設定を行う。ここで図２で説明した給湯開始時の開度Ｘｉに低減開度Ｘｄを加算して最終の開度設定Ｘを求める。そして、５１で水量調整手段１８を設定された開度に駆動する。

以上の構成において、その動作、作用について説明する。蛇口１７が開かれると給水管１１から水道水が流れ込み始める。これを流量検知手段２３が検知し制御手段１９に信号が送られ、圧縮機２が起動する。

このとき水量調整手段１８は初期開度に絞られているので、水量は抑制されて出湯される。したがって、冷媒循環回路７の放熱手段３から水流路９への熱交換量が抑制せれ、圧縮機２や熱交換器１０の温度上昇速度が早くなり、水流路９からの出湯温度の温度上昇速度が早くなる。そして出湯温度が（目標温度−５Ｋ）以上に上昇したら水量調整手段１８により絞られた初期開度が解除されて、全開に復帰する。このとき圧縮機２や熱交換器１０は十分に圧力や温度が上昇しているので、水量を復帰させても出湯温度が低下することなく目標温度に到達することができる。

加熱制御手段２２では出湯温度と目標温度との偏差に基づいて圧縮機２の周波数を制御する。そして、圧縮機２から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器３へ流入し、水流路９を流れる水を加熱する。そして、加熱された水は給湯回路１３を経て給湯端末１２から出湯する。一方、放熱器３で冷却された冷媒は減圧手段４で減圧されて吸熱器５に流入し、ここで大気熱、太陽熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機２に戻る。従って、出湯を検出して、すぐに圧縮機１からの高温高圧の冷媒ガスが放熱器３に流入し、水を加熱し、そのまま給湯端末１２から出湯利用できる。

給湯中の加熱制御手段２２では、出湯温度と目標温度との偏差から公知のＰＩＤ制御を用いて周波数を算定する。すなわち、出湯温度のフィードバック制御がおこなわれる。ここでの制御定数である比例ゲインや積分係数や微分係数は、制御の応答性と安定性を両立するための最適な値を予め設定しておく必要がある。なおフィードバック制御は、ＰＩ制御でもＰ制御でもファジーやニューロ制御でもよい。

給湯中に２ヶ所以上の給湯などの大流量での給湯が発生し、熱交換器１０での最大加熱量を超える給湯負荷が発生した場合は、制御手段１９が水量調整手段１８を絞り方向に駆動し、給湯負荷が最大加熱量とほぼ一致するまで水量を減少させるので、出湯温度は大幅に低下することなく目標温度を維持することができる。

また、大流量から通常の流量へと変化した場合でも、給湯負荷が最大加熱量を下回れば、水量調整手段１８での絞りは水量低下から水量復帰に変り全開運転に戻るので使用者に違和感なく給湯運転ができる。

なお、実施例１では冷媒循環回路を、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界冷媒循環回路としたが、もちろん一般の臨界圧力以下の冷媒循環回路でもよい。

（実施例２）
図４は本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯装置の給湯時の水量調整手段１８の制御フローチャートである。なお、実施例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図４において、実施例１の構成と異なるところは、５５の水量上限の設定値により水量調整手段１８の制御を行う点にある。５５では４１により求めた最大の加熱量Ｑｈｘ（ｋＷ）と目標温度Ｔｓｅｔ（℃）と水温Ｔｗ（℃）より水量の上限ＷＬ（Ｌ／ｍｉｎ）を算出する。そして、５６により流量検知手段２３により検出された水量Ｗ（Ｌ／ｍｉｎ）が水量の上限ＷＬを超えないかを判定し、超えた場合は４４で水量調整手段１８による水量低下のための開度低減設定を行う。一方超えない場合は、４５で水量調整手段１８による水量復帰のための開度増加設定を行う。

以上のように実施例２では、最大の加熱量から水量の上限を設定し、水量の検出値がこの上限を超えないように制御するので、加熱量不足による出湯温度低下が防止できる。

（実施例３）
図５は本発明の実施例３におけるヒートポンプ給湯装置の給湯時の水量調整手段１８の制御フローチャートである。なお、実施例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図５において、実施例１の構成と異なるところは、温度設定手段２６の設定する目標温度より５K低い第２の目標値を設定し、給湯開始から３分経過以降に出湯温度が、この第２の目標温度以下でかつ、加熱制御手段２２が圧縮機２の周波数を上限に設定した場合に水量を低下させる点にある。具体的に次のような制御となる。

６０では加熱制御手段２２の圧縮機２の周波数設定が行われる。すなわち出湯温度Thwと目標温度Tsetとの偏差から公知のＰＩＤ制御を用いて周波数Fを算定する。

６１は給湯開始から３分経過したかを判定する。３分未満であれば、６２で水量低下の開度低減設定は０％とし、水量低下禁止とする。６１で３分以上経過したと判定すると、６３に進む。

６３は圧縮機２の制御周波数Fが上限値Fmax以上で、出湯温度Thwが目標温度Tset−３K未満であれば、４４で水量調整手段１８による水量低下のための開度低減設定を行う。一方６３の条件が成り立たない場合は、４５で水量調整手段１８による水量復帰のための開度増加設定を行う。

６１の給湯開始から３分は、まだシステム全体の能力や温度が立ち上がるまでの時間を設定するもので、この値はシステムの条件により異なる。

６３における判定は周波数Fにより最大加熱量に達しているかを判定し、出湯温度Thwにより能力不足かどうかを判定している。そして、この両者により、最大加熱量に達して能力不足に陥っていると判定される。なお、実施例３では周波数Ｆと出湯温度Thwの両者の状態で判定することにより、判定精度を向上させているが、それぞれ単独で判定しても充分に精度よく能力不足を判定できる。

なお、上記１〜３の実施例では貯湯槽や蓄熱材を持たない、完全な瞬間式の給湯装置で説明したが、給湯時にヒートポンプで加熱した湯を直接給湯端末に供給する構成であれば、熱交換器に並列に貯湯槽を有していたり、また熱交換器に直列に貯湯槽を有していたり、さらには水側回路や冷媒回路に蓄熱材を有していても同様の効果が得られる。

本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 本発明の実施例１における給湯開始時の水量調整手段の制御フローチャート 本発明の実施例１における給湯時の水量調整手段の制御フローチャート 本発明の実施例２における給湯時の水量調整手段の制御フローチャート 本発明の実施例３における給湯時の水量調整手段の制御フローチャート 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

符号の説明

２ 圧縮機
３ 放熱器
４ 減圧手段
５ 吸熱器
７ 冷媒循環回路
９ 水流路
１０ 熱交換器
１１ 給水管
１２ 給湯端末
１３ 給湯回路
１８ 水量調整手段
２０ 給湯負荷検知手段
２１ 熱量検知手段
２２ 加熱制御手段
２３ 流量検知手段
２４ 水温検知手段
２５ 湯温検知手段
２６ 温度設定手段
２７ 外気温度検知手段

Claims (2)

1. 圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、前記放熱器と熱交換を行う水流路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記水流路の水量を調節する水量調節手段と、前記給湯回路の流量を検出する流量検知手段とを有し、前記流量検知手段が水量を検知せず給湯停止中と判定した場合は、給湯が停止してから所定時間が経過した時、前記水量調整手段の開度を所定開度に絞った状態とすることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、前記放熱器と熱交換を行う水流路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記給湯回路の水量を調節する水量調節手段と、前記給湯回路の流量を検出する流量検知手段とを有し、給湯開始時には前記水量調節手段を予め所定量だけ絞った初期開度に設定するとともに、前記流量検知手段が水量を検知して給湯中と判定した場合は、給湯が開始されてから所定時間が経過した時、前記水量調整手段の開度を全開とすることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。

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