JP2005337550A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】 外気温、水冷媒熱交換器と貯湯タンクとの間の循環流量の影響による貯湯タンク内の貯湯温度のばらつきを少なくするヒートポンプ式給湯機を提供する。
【解決手段】 水冷媒熱交換器５の湯水流路５Ｂの出口側に設置された沸き上げ温度センサ１１と、貯湯タンク１の入口側に設置されたタンク入口温度センサ１２と、沸き上げ温度センサ１１の検出温度が目標沸き上げ温度になるように、湯水循環回路Ｂの循環ポンプ２を制御する第１制御部１３と、タンク入口温度センサ１２の検出温度と目標沸き上げ温度とが同一かどうかを判定し、双方の温度が異なるときは、タンク入口温度センサ１２の検出温度が目標沸き上げ温度になるように、その目標沸き上げ温度を補正する第２制御部１４とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、貯湯タンクへ供給される沸き上げ湯の温度を制御するヒートポンプ式給湯機に関するものである。

従来のヒートポンプ式給湯機は、水熱交換器の湯水流路側の出口に温度センサを設け、この温度センサによって検出された沸き上げ温度が目標沸き上げ温度に達するように、圧縮機、膨張弁及び給水ポンプを制御して沸き上げ運転を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３２３２５８号公報（第５−６頁、図１−図３）

前述した従来のヒートポンプ式給湯機では、水熱交換器の出口から流出した沸き上げ湯が貯湯タンクへ流れる間に、水熱交換器と貯湯タンクとの間の接続配管にて放熱が発生するため、貯湯タンクへ貯えられる湯の温度が、水熱交換器と貯湯タンクとの間の配管長、配管径、断熱材等の仕様や、外気温、水熱交換器と貯湯タンクとの間の循環流量の影響により大きく異なり、貯湯タンク内の貯湯温度がばらついてしまうという課題があった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、水熱交換器と貯湯タンクとの間の配管等の仕様や、外気温、水熱交換器と貯湯タンクとの間の循環流量の影響による貯湯タンク内の貯湯温度のばらつきを少なくするヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ式給湯機は、冷媒を圧縮して高温にする圧縮機、水冷媒熱交換器の冷媒流路、膨張弁及び空気熱交換器を配管で環状に接続してなるヒートポンプサイクルと、給湯用の湯を貯える貯湯タンク、循環ポンプ及び水冷媒熱交換器の湯水流路を配管で環状に接続してなり、ヒートポンプサイクルによって繰り返し行われる高温・高圧の冷媒から熱を吸収して湯水を加熱する湯水循環回路と、水冷媒熱交換器の湯水流路の出口側に設置された沸き上げ温度センサと、貯湯タンクの入口側に設置されたタンク入口温度センサと、沸き上げ温度センサの検出温度が目標沸き上げ温度になるように、少なくとも湯水循環回路の循環ポンプを制御する第１制御部と、タンク入口温度センサの検出温度と目標沸き上げ温度とが同一かどうかを判定し、双方の温度が異なるときは、タンク入口温度センサの検出温度が目標沸き上げ温度になるように、その目標沸き上げ温度を補正する第２制御部とを備えたものである。

本発明によれば、タンク入口温度センサの検出温度と目標沸き上げ温度とが異なるとき、タンク入口温度センサの検出温度が目標沸き上げ温度になるように、その目標沸き上げ温度を補正するようにしたので、水熱交換器と貯湯タンクとの間の配管長、配管径、断熱材等の仕様や、外気温、水熱交換器と貯湯タンクとの間の循環流量の影響による貯湯タンク内の貯湯温度のばらつきを少なくすることができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図１及び図２を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯機を示す全体構成図である。
この図に示すヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプサイクルＡと、湯水循環回路Ｂと、第１制御部１３及び第２制御部１４とから構成されている。ヒートポンプサイクルＡは、圧縮機４と、水冷媒熱交換器５の冷媒流路５Ａと、膨張弁６と、室外ファン８が付設された蒸発器７（空気熱交換器）とが冷媒配管９により環状に接続されてなり、このヒートポンプサイクルＡの動作原理は、冷媒（二酸化炭素）を圧縮機４で圧縮して高温、高圧にし、この冷媒を水冷媒熱交換器５の冷媒流路５Ａを介して放熱させ、膨張弁６で膨張して蒸発器７で蒸発させ、このサイクルを連続的に繰り返し行って水冷媒熱交換器５による放熱を水の加熱に利用するものである。

前記の圧縮機４は、内蔵するモータによって駆動し、蒸発器７によって蒸発された冷媒を一般的使用条件において臨界圧力以上まで圧縮し水冷媒熱交換器５に吐出する。水冷媒熱交換器５は、圧縮機４より吐出された高温、高圧の冷媒が流れる冷媒流路５Ａと、湯水が流れる湯水流路５Ｂとから構成され、冷媒の流れる方向と水の流れる方向とが図中の矢印に示すように対向している。なお、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機は、通常、水冷媒熱交換器５に流れる冷媒は、圧力が臨界圧力以上に高いため、水との熱交換により凝縮することはなく、常に効率の高い熱交換が行えるようになっている。膨張弁６は、水冷媒熱交換器５から流入する冷媒を弁開度に応じて減圧、膨張させる装置である。膨張弁６によって膨張された冷媒は、蒸発器７で室外ファン８により送風される空気と熱交換が行われ、エネルギー（エンタルピ）を吸収して圧縮機４に流入する。

前述した湯水循環回路Ｂは、給湯用の温水を貯える貯湯タンク１と、循環ポンプ２と、前述した湯水流路５Ｂとが湯水配管３により環状に接続されてなっている。この湯水循環回路Ｂは、循環ポンプ２が駆動されると、貯湯タンク１の下部に存在する低温の湯水が湯水配管３を介して水冷媒熱交換器５の湯水流路５Ｂに導かれ、水冷媒熱交換器５の冷媒流路５Ａからの放熱によって加熱され、湯水配管３を経由して貯湯タンク１の上部に戻される。なお、駆動ポンプ２は、回転数を可変することで揚程を変化させ、湯水循環回路Ｂに流れる湯水の流量を変えることができる。このシステムでは、沸き揚げ温度を制御するために湯水循環回路Ｂの流量を、駆動ポンプ２の回転数を可変することで対応している。よって、循環ポンプ２は、制御部品としても機能している。また、湯水循環回路Ｂには、湯水流路５Ｂの出口側に設置された沸き上げ温度センサ１１と、貯湯タンク１の入口側に設置されたタンク入口温度センサ１２とが備えられている。

第１制御部１３は、第２制御部１４を通じて目標沸き上げ温度Ｔｐが入力されると、ヒートポンプサイクルＡの圧縮機４、膨張弁６及び室外ファン８を駆動すると共に、湯水循環回路Ｂの循環ポンプ２を駆動する。そして、沸き上げ温度センサ１１の検出温度Ｔｗｏ１が目標沸き上げ温度Ｔｐになるように、湯水循環回路Ｂの循環ポンプ２を制御する。第２制御部１４は、操作部（図示せず）によって設定された目標沸き上げ温度Ｔｐが入力されると、その目標沸き上げ温度Ｔｐを第１制御部１３に設定し、第１制御部１３を通じて沸き上げ温度センサ１１の検出温度Ｔｗｏ１が目標沸き上げ温度Ｔｐに達したことを確認したときは、タンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２と目標沸き上げ温度Ｔｐとが異なっているかどうかを判定する。双方の温度が異なるとき、即ちタンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２が目標沸き上げ温度Ｔｐより低いとき、例えば下記に示す演算式（１）を用いて目標沸き上げ温度Ｔｐに補正を加え、これを沸き上げ目標温度Ｔｐ１として第１制御部１３に設定する。
Ｔｐ１＝Ｔｐ＋（Ｔｗｏ１−Ｔｗｏ２） …（１）

タンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２が低い要因として、水冷媒熱交換器５と貯湯タンク１との間の配管長、配管径及び断熱材の仕様や、外気温、水冷媒熱交換器５と貯湯タンク１との間の循環流量等である。前述した沸き上げ終了は、操作部の操作によって運転停止の指示を受けたときや、ヒートポンプサイクルＡ、湯水循環回路Ｂの機器等が異常のときである。

次に、前記のように構成されたヒートポンプ式給湯機における目標沸き上げ温度の補正時の動作を図２のフローチャートに基づいて説明する。
第２制御部１４は、操作部（図示せず）によって設定された目標沸き上げ温度Ｔｐが入力されると、その目標沸き上げ温度Ｔｐを第１制御部１３に設定し、沸き上げ温度センサ１１の検出温度Ｔｗｏ１が目標沸き上げ温度Ｔｐに達したかどうかの確認に入る（Ｓ１）。一方、第１制御部１３は、目標沸き上げ温度Ｔｐが設定されると、ヒートポンプサイクルＡの圧縮機４、膨張弁６及び室外ファン８を駆動すると共に、湯水循環回路Ｂの循環ポンプ２を駆動する。そして、沸き上げ温度センサ１１の検出温度Ｔｗｏ１が目標沸き上げ温度Ｔｐになるように、湯水循環回路Ｂの循環ポンプ２を制御し、この循環ポンプ２の制御により、沸き上げ温度センサ１１の検出温度Ｔｗｏ１が目標沸き上げ温度Ｔｐに達したときは、その情報を第２制御部１４に通知する。

第２制御部１４は、その情報から沸き上げ温度センサ１１の検出温度Ｔｗｏ１と目標沸き上げ温度Ｔｐとが一致したことを確認すると（Ｓ１）、タンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２を読み込んで、目標沸き上げ温度Ｔｐと異なっているかどうかを判定する（Ｓ２）。タンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２と目標沸き上げ温度Ｔｐとが同一のときは、Ｓ７において沸き上げ終了の指示があったかどうかの判定に入り、タンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２と目標沸き上げ温度Ｔｐとが異なっているときは、Ｓ３において沸き上げ終了の指示があったかどうかを判定する。Ｓ３或いはＳ７において沸き上げ終了の指示を検知したときは、目標沸き上げ温度Ｔｐに補正を加えることなく、この動作を終了する。

また、Ｓ３において沸き上げ終了の指示がなかったときは、沸き上げ温度センサ１１によって検出された温度Ｔｗｏ１からタンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２を減算し、その結果を目標沸き上げ温度Ｔｐに加算して補正を加え、その算出値を沸き上げ目標温度Ｔｐ１とする（Ｓ４）。そして、再び沸き上げ終了の指示があったかどうかを判定し（Ｓ５）、沸き上げ終了の指示を検知したときは、Ｓ４において算出した沸き上げ目標温度Ｔｐ１を第１制御部１３に設定することなく、この動作を終了する。一方、沸き上げ終了の指示がなかったときは、前記の沸き上げ目標温度Ｔｐ１を第１制御部１３に設定する（Ｓ６）。そして、再びＳ２に戻って、前述した動作を沸き上げ終了の指示を検知するまで繰り返し行う。
なお、第１制御部１３は、沸き上げ目標温度Ｔｐ１が設定されると、沸き上げ温度センサ１１の検出温度Ｔｗｏ１がその沸き上げ目標温度Ｔｐ１に達するように、湯水循環回路Ｂの循環ポンプ２を制御する。

以上のように実施の形態１によれば、タンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２と目標沸き上げ温度Ｔｐとが異なるとき、タンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２が目標沸き上げ温度Ｔｐになるように、沸き上げ温度センサ１１の検出温度Ｔｗｏ１からタンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２を減算し、その結果を目標沸き上げ温度Ｔｐに加算して補正を加え、その算出値を沸き上げ目標温度Ｔｐ１として第１制御部１３に設定するようにしたので、水冷媒熱交換器５と貯湯タンク１との間の配管長、配管径、断熱材等の仕様や、外気温、水冷媒熱交換器５と貯湯タンク１との間の循環流量の影響による貯湯タンク内の貯湯温度のばらつきが少なくなった。

実施の形態２．
前述した実施の形態１では、タンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２と目標沸き上げ温度Ｔｐとが異なる毎に、前記の演算式（１）を用いて目標沸き上げ温度Ｔｐに補正を加え、これを沸き上げ目標温度Ｔｐ１として第１制御部１３に設定して、タンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２が目標沸き上げ温度Ｔｐになるようにしたものであるが、第２制御部１４の演算量が多くなり、また、第１制御部１３と第２制御部１４との間の情報通信量が増えてしまうため、本実施の形態２では、第２制御部１４に、例えば３０分経過する毎にタンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２と目標沸き上げ温度Ｔｐとが異なっているかどうかを判定させるようにしたものであり、本実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機は、図１に示す実施の形態１と同じ構成からなっている。

次に、実施の形態２のヒートポンプ式給湯機における目標沸き上げ温度の補正時の動作を図３のフローチャートに基づいて説明する。
第２制御部１４は、操作部（図示せず）によって設定された目標沸き上げ温度Ｔｐが入力されると、図示していないが時間の測定を開始し、入力された目標沸き上げ温度Ｔｐを第１制御部１３に設定する。その後、第１制御部１３の制御により、沸き上げ温度センサ１１の検出温度Ｔｗｏ１と目標沸き上げ温度Ｔｐとが同じになったことを確認すると（Ｓ１）、測定時間が３０分経過したかどうかを判定し（Ｓ２）、測定時間が３０分を経過していないときは、このＳ２で待機する。そして、測定時間が３０分を経過したときに、タンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２を読み込んで、目標沸き上げ温度Ｔｐと異なっているかどうかの判定に入る（Ｓ３）。これ以降の動作については、実施の形態１と同様である。つまり、３０分経過後に読み込んだタンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２が目標沸き上げ温度Ｔｐと異なっていた場合、沸き上げ終了の指示があったかどうかを判定し（Ｓ４）、沸き上げ終了の指示がなかったとき、Ｓ５に示す演算式に基づいて目標沸き上げ温度Ｔｐに補正を加え、これを沸き上げ目標温度Ｔｐ１とする。その後、再び沸き上げ終了の指示があったかどうかを判定し（Ｓ６）、沸き上げ終了の指示がなかったときは、前記の沸き上げ目標温度Ｔｐ１を第１制御部１３に設定し（Ｓ７）、再びＳ２に戻って３０分経過後に、前述した動作を繰り返す。
なお、第１制御部１３は、沸き上げ目標温度Ｔｐ１が設定されると、前述したように沸き上げ温度センサ１１の検出温度Ｔｗｏ１がその沸き上げ目標温度Ｔｐ１に達するように、湯水循環回路Ｂの循環ポンプ２を制御する。

以上のように実施の形態２においては、３０分経過する毎にタンク入口温度センサ１２の検出温度Ｔｗｏ２と目標沸き上げ温度Ｔｐとが異なっているかどうかを判定し、双方の温度が異なっているとき、目標沸き上げ温度Ｔｐに補正を加えて沸き上げ目標温度Ｔｐ１とし、これを第１制御部１３に設定して沸き上げ温度センサ１１の検出温度Ｔｗｏ１が沸き上げ目標温度Ｔｐ１になるように制御させるようにしたので、配管等の仕様や、外気温、水冷媒熱交換器５と貯湯タンク１との間の循環流量の影響による貯湯タンク内の貯湯温度のばらつきが少なくなるという効果に加えて、実施の形態１と比べ、第２制御部１４の演算量が少なくなり、また、第１制御部１３と第２制御部１４との間の情報通信量が軽減されるという効果がある。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯機を示す全体構成図である。 実施の形態１のヒートポンプ式給湯機における目標沸き上げ温度の補正時の動作を示すフローチャートである。 実施の形態２のヒートポンプ式給湯機における目標沸き上げ温度の補正時の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

Ａ ヒートポンプサイクル、Ｂ 湯水循環回路、１ 貯湯タンク、２ 循環ポンプ、
１ 湯水配管、４ 圧縮機、５ 水冷媒熱交換器、５Ａ 冷媒流路、５Ｂ 湯水流路、
６ 膨張弁、７ 蒸発器、８ 室外ファン、９ 冷媒配管、１１ 沸き上げ温度センサ、１２ タンク入口温度センサ、１３ 第１制御部、１４ 第２制御部。

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮して高温、高圧にする圧縮機、水冷媒熱交換器の冷媒流路、膨張弁及び空気熱交換器を配管で環状に接続してなるヒートポンプサイクルと、
   給湯用の湯を貯える貯湯タンク、循環ポンプ及び前記水冷媒熱交換器の湯水流路を配管で環状に接続してなり、前記ヒートポンプサイクルによって繰り返し行われる高温・高圧の冷媒から熱を吸収して湯水を加熱する湯水循環回路と、
   前記水冷媒熱交換器の湯水流路の出口側に設置された沸き上げ温度センサと、
   前記貯湯タンクの入口側に設置されたタンク入口温度センサと、
   前記沸き上げ温度センサの検出温度が目標沸き上げ温度になるように、少なくとも前記湯水循環回路の循環ポンプを制御する第１制御部と、
   前記タンク入口温度センサの検出温度と目標沸き上げ温度とが同一かどうかを判定し、双方の温度が異なるときは、前記タンク入口温度センサの検出温度が目標沸き上げ温度になるように、その目標沸き上げ温度を補正する第２制御部と
   を備えたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 前記第２制御部は、目標沸き上げ温度の補正を、前記沸き上げ温度センサの検出温度及び前記タンク入口温度センサの検出温度の差分を算出し、この算出値に基づいて行うことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
3. 前記第２制御部は、前記タンク入口温度センサの検出温度と目標沸き上げ温度とが同一かどうかの判定、及び双方の温度が異なったときの目標沸き上げ温度の補正を、所定時間毎に行うことを特徴とする請求項１又は２記載のヒートポンプ式給湯機。
   

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