JP4692180B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、貯湯タンクの温水を熱源とする放熱手段を有するヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来、この種の温水を熱源とする放熱手段を有する給湯機は、一般地ではガス給湯暖房器が、また寒冷地では石油を用いた温水ボイラが多く使用されている。しかし、近年、給湯器の分野ではＣＯ２冷媒を用いた、ヒートポンプ給湯機が発売され、ランニングコストの安さと、環境にやさしい製品であることから急速に普及しており、また、この技術を用いて暖房機能が付加された多機能タイプが登場している。

この種の温水を用いた暖房装置では、床暖房等の放熱手段９へ流出させる暖房往き温度検出手段１３により検出される温度を１次側循環ポンプ１１の制御により一定温度に保つことによって、安定した熱量供給を行うことを目標としていた（図４参照）。

また、その他の形態として、放熱手段９に備えられた暖房表面温度検出手段１７により検出されるので、表面温度を目標温度に保つために、暖房１次側循環ポンプ１１または暖房２次側循環ポンプ１２の流量を制御手段により調節していた（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００４−２３２９１４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、放熱手段（例えば床暖房パネル）の敷設面積が設定値以上の場合や、温水配管や床暖房パネルの断熱不備等の場合においても、常に暖房往き温度や床暖房の床表面温度を安定温度に保つことを目標として制御をするため、場合によっては、ヒートポンプの加熱能力よりも大きな放熱能力が必要となってしまう。ここで、以降放熱能力（暖房能力）とは、接続配管における放熱等、全て含めたものをさす。そのため、長時間使用した場合において、湯切れを起こしてしまう可能性があった。 そこで、本発明のヒートポンプ給湯機では、放熱手段に対する放熱能力を給湯機本体の情報のみで自ら調節し、湯切れを防止することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯機は、圧縮機と水冷媒熱交換器とを備える冷媒回路からなるヒートポンプと、貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部からの水を前記熱交換器によって加熱して前記貯湯タンクの上部へ戻す加熱回路と、前記貯湯タンクの上部から暖房用熱交換器を介して前記貯湯タンクへ戻る暖房１次回路と、放熱手段と前記暖房用熱交換器を備える暖房２次回路と、前記暖房２次回路中の前記暖房用熱交換器出口、入口にそれぞれ設置された暖房往き温度検出手段及び暖房戻り温度検出手段と、前記暖房１次回路の湯水循環流量を調整する１次側循環ポンプと、前記暖房２次回路の湯水を循環する２次側循環ポンプと、前記貯湯タンクに配設された前記暖房１次回路への流出部近傍の湯温を検出するための湯温検出手段と、前記１次側循環ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記貯湯タンクの湯温検出手段と前記暖房２次回路の暖房戻り温度検出手段と前記１次側循環ポンプの流量とにより計算された前記放熱手段による放熱量が、前記ヒートポンプの加熱能力以下となるように前記１次側循環ポンプの流量を制御するとともに、前記暖房２次回路の暖房戻り温度検出手段の検出温度が所定温度より高い場合には、前記暖房２次回路の暖房往き温度の目標値を下げることを特徴とするもので、暖房１次側循環ポンプの出力値から暖房能力を推定し、その入水温度におけるヒートポンプの加熱能力以上にならないように暖房１次側循環ポンプ流量を調整することで暖房能力を調整し、湯切れを防止することができる。

本発明のヒートポンプ給湯機は、放熱手段に対する放熱能力を給湯機本体の情報のみで自ら調節し、湯切れを防止することができる。

第１の発明は、圧縮機と水冷媒熱交換器とを備える冷媒回路からなるヒートポンプと、貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部からの水を前記熱交換器によって加熱して前記貯湯タンクの上部へ戻す加熱回路と、前記貯湯タンクの上部から暖房用熱交換器を介して前記貯湯タンクへ戻る暖房１次回路と、放熱手段と前記暖房用熱交換器を備える暖房２次回路と、前記暖房２次回路中の前記暖房用熱交換器出口、入口にそれぞれ設置された暖房往き温度検出手段及び暖房戻り温度検出手段と、前記暖房１次回路の湯水循環流量を調整する１次側循環ポンプと、前記暖房２次回路の湯水を循環する２次側循環ポンプと、前記貯湯タンクに配設された前記暖房１次回路への流出部近傍の湯温を検出するための湯温検出手段と、前記１次側循環ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記貯湯タンクの湯温検出手段と前記暖房２次回路の暖房戻り温度検出手段と前記１次側循環ポンプの流量とにより計算された前記放熱手段による放熱量が、前記ヒートポンプの加熱能力以下となるように前記１次側循環ポンプの流量を制御するとともに、前記暖房２次回路の暖房戻り温度検出手段の検出温度が所定温度より高い場合には、前記暖房２次回路の暖房往き温度の目標値を下げることを特徴とするものである。

これにより、放熱手段に対する放熱能力を給湯機自ら調節し、湯切れを防止することができる。

また、放熱手段による放熱能力が想定以上に大きくなった場合や、逆に冷時からの立ち上がりなどで放熱能力をより大きくしたい場合、さらには給湯負荷も想定して暖房に使用できる熱量を計算した上で、暖房往き温度を可変させることにより、より幅広く、かつ効率のよい運転を行うことができる。

これにより、暖房１次回路から貯湯タンクに戻る湯温をある一定の温度以下に抑えることで、ヒートポンプユニットの加熱回路に流入する水温を抑えることができるので、常に一定以上の加熱能力を確保することができるため湯切れ防止に対して有効な運転をすることができる。

第２の発明は、１次側循環ポンプは暖房用熱交換器の容量に応じてオンオフ運転するものである。

これにより、暖房用熱交換器に流入した湯の熱量を充分に取り切ることができるため、暖房１次回路から貯湯タンクに戻る湯温をより低く抑えられる。結果としてヒートポンプユニットの加熱回路に流入する水温を抑えることができ、より高い加熱能力を確保することができるため、湯切れ防止に対して有効な運転をすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の構成図を示すものである。図１において、冷媒回路１は、圧縮機２、水冷媒熱交換器３等からなるヒ−トポンプサイクルを構成したヒートポンプ熱源である。そして、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる二酸化炭素を冷媒とている。４は貯湯タンクであり、下部から給水管４ａを通って給水し、上部の出湯管４ｂから端末へ出湯する。

貯湯タンク４には湯温を検出するためのタンク湯温検出手段５（５ａ〜５ｆ）が備え付けられており、貯えられている湯量と湯温を常に検出することができる。６は循環ポンプ
であり、水冷媒熱交換器３において冷媒回路の冷媒と水を対向流で熱交換する構成である。そして、貯湯タンク４の下部から循環ポンプ６、水冷媒熱交換器３、貯湯タンク４の上部を順次接続する加熱回路を構成する。７は出湯温度検出手段であり、ヒートポンプ熱源で加熱する湯温を検出するため給湯熱交換器８の出口に設けられており、給湯熱交換器８の出口湯水が所定温度となるように循環ポンプ６の回転数を制御して加熱回路の循環流量を制御する。

９は放熱手段となる、例えば床暖房パネルであり、貯湯タンク４上部の温水を熱源として暖房する。つまり、本発明は給湯機能と暖房機能の２つの機能を備えた多機能給湯装置である。

１０は暖房用熱交換器であり、貯湯タンク４上部から貯湯タンク４中間部あるいは下部に循環する貯湯タンク４内の温水と、放熱手段９を循環する暖房循環液とを熱交換する。なお、本実施の形態では以下の説明において、貯湯タンク４上部から貯湯タンク４中間部あるいは下部に循環する途中に暖房用熱交換器１０を備えた回路を１次側回路と称する。１１は１次側循環ポンプであり、流量可変のポンプ、または一定の流量でのオンオフ運転をするポンプで構成し、貯湯タンク４上部の温水を暖房用熱交換器１０に循環して貯湯タンク４中間部あるいは下部に戻す。

１２は２次側循環ポンプであり、暖房用熱交換器１０と放熱手段９の間の暖房用循環液、例えば水や不凍液を循環する。１３は暖房用熱交換器１０から放熱手段９に流入する暖房用循環液の温度を検出する暖房往き温度検出手段、１４は放熱手段９から暖房用熱交換器１０に戻る暖房用循環液の温度を検出する暖房戻り温度検出手段である。なお、本実施の形態では以下の説明において、放熱手段９、暖房用熱交換器１０、２次側循環ポンプを備えた回路を２次側回路と称する。

通常２次側循環ポンプ１２は一定速のＡＣポンプか、放熱手段の負荷に合わせたＤＣポンプの一定速にて運転が行われるため、暖房運転時制御手段（図示せず）は、暖房往き温度検出手段１３の検出温度が所定温度になるように１次側循環ポンプ１１の流量を制御する。これにより、放熱手段９に対して安定した熱量の供給を行うことができる。

一方、熱源であるヒートポンプユニットでは、水冷媒熱交換器３に流入する水温、つまり入水温度により加熱能力が変化していき、入水温度が高いほど加熱能力が低下していく特性がある。さらに、通常放熱手段９が使用される冬期においては、外気温が低いほど、ヒートポンプの加熱能力は低下していく。本実施例は、後者の外気温が低い場合における課題を解決するものである。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯機について、以下その動作、作用について説明する。

図２は本発明の第１の実施の形態における動作を示すフローチャートである。まず、冷時からの暖房立ち上がりにおいては、充分な暖房能力が必要であるため、暖房立ち上がり制御中であるかの判断を行う（Ｓ１１）。

ここで、暖房立ち上がり制御とは、放熱手段９の表面温度を早急に暖めるための制御であり、運転起動時からしばらくの間は放熱手段９への温水往き温度をある一定の高温に保つように運転を行う。

暖房立ち上がり制御中の場合は、通常どおり暖房往き温度に基づいて制御を行い、暖房立ち上がり制御中でない場合は、暖房戻り温度検出手段１４により暖房戻り温度を、タン
ク湯温検出手段５ａ、５ｂ（タンク湯温検出手段５ａ、５ｂは、貯湯タンク４から湯を取り出す取り出し口の上下に備えられたセンサであることを特徴とする）によりタンク湯温を検出し、さらに１次側循環ポンプ１１の入力値を検出し、それらの値から現在の暖房放熱能力Ｑを計算する（Ｓ１２）。

ここで、暖房放熱能力Ｑの計算方法について説明する。暖房放熱能力Ｑをヒートポンプ給湯機本体で計算する場合、暖房１次側回路または２次側回路いずれかにおいて、暖房用熱交換器の入口、出口温度と循環流量が把握できればよい。しかし２次側回路においては、放熱手段９の放熱量の状況によって暖房循環液の流量が変化するため、適切な暖房放熱能力を計算することは困難である。

そこで、本実施例のヒートポンプ給湯機では暖房放熱能力制御手段（図示せず）によって暖房放熱能力Ｑを求め、暖房放熱能力制御手段には１次側循環ポンプ１１の入力値に対する１次側循環流量Ｍ１を予め記憶しておく。本実施例では、以下、２次回路のみに温度検出手段（暖房往き温度検出手段１３と暖房戻り温度検出手段１４）備えられている場合の暖房放熱能力Ｑの求め方を説明する。

まず、タンク湯温検出手段５ａと５ｂにより検出された湯温ＴａとＴｂから、１次側回路の暖房用熱交換器１０入口温度Ｔ１ｉｎを推定する。貯湯タンク４内に蓄えられている湯水は通常温度積層状態が保たれているため、Ｔ１ｉｎ＝（Ｔａ＋Ｔｂ）／２として計算できる。また、この計算式は湯の取り出し口とタンク湯温検出手段、または１次側回路の構成に合わせて変えられるものとする。

次に、通常の暖房用熱交換器１０では、１次側回路の暖房用熱交換器１０出口温度Ｔ１ｏｕｔと２次側回路側の暖房用熱交換器１０入口温度、つまり暖房戻り温度Ｔ２ｉｎは近い温度になっているため、Ｔ１ｏｕｔ＝Ｔ２ｉｎ＋αとする。ただし、αは暖房用熱交換器１０の特性によっても異なるため、使用範囲における暖房用熱交換器１０の特性に合わせて設定できるものとする。

以上によって、１次側循環流量Ｍ１と１次側入口温度Ｔ１ｉｎ、１次側出口温度Ｔ１ｏｕｔより、Ｑ＝（Ｔ１ｉｎ−Ｔ１ｏｕｔ）×Ｍ１として暖房放熱能力Ｑを計算することができる。

次に、１次側回路の貯湯タンク戻り口が貯湯タンク４下部に接続されている場合、１次側出口温度Ｔ１ｏｕｔは給湯熱交換器８への入水温度Ｔｈｐｉｎとほぼ同じ温度になることが予想される。ここで、入水温度Ｔｈｐｉｎ＝Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎ（Ｔ１＞Ｔ２＞・・・Ｔｎ）のときのヒートポンプの加熱能力Ｑ＝Ｑ１、Ｑ２、・・・Ｑｎ（ヒートポンプの特性より、Ｑ１＜Ｑ２＜・・・Ｑｎ）とし、それぞれの値は予め制御手段に記憶されているものとする。まず、暖房戻り温度Ｔ２ｉｎがあるＴ１以上であるかどうかを比較する（Ｓ１３）。Ｔ２ｉｎがＴ１以上である場合、Ｑ≦Ｑ１になるように１次側循環ポンプ１１を制御する（Ｓ１４）。

また、Ｓ１３においてＴ２ｉｎがＴ１を下回っていれば、次にＴ２ｉｎがＴ２以上であるかどうかを比較する（Ｓ１５）。そして、Ｔ２ｉｎがＴ２以上であれば、Ｑ≦Ｑ２となるように１次側循環ポンプ１１を制御する（Ｓ１６）。また、Ｓ１５においてＴ２ｉｎがＴ２を下回っていれば、Ｔ２ｉｎがＴ３以上であるかどうかを比較する（Ｓ１７）。

以下同様に、Ｔ（ｎ−１）ｉｎがＴｎ以上であれば、Ｑ≦Ｑｎとなるように１次側循環ポンプ１１を制御する。Ｓ１７においてＴ２ｉｎがＴｎより小さい場合は、ヒートポンプによる加熱能力の方が常に大きいと考えられるので、暖房往き温度を目標とする制御を行
う。

また、上記の制御を用いることで、通常の給湯負荷も想定したうえで、より有効に夜間沸き上げの湯を利用するように放熱能力を変化させることもできる。例えば、夕方以降風呂の湯はりが終了し、さらに数人分のシャワーの出湯が確認された後であれば、湯確保量は減らすことができるため、ヒートポンプの加熱能力以上の暖房もでき、または少なめの能力で、深夜時間帯までヒートポンプを運転させずに残りの湯を効率よく暖房に使用することも可能である。

ここで、本実施例においては入水温度変化による制御のみ示すが、ヒートポンプは前述のように外気温度が下がることにより加熱能力は低下するため、パラメータに外気温が含まれる場合においても同様の制御が成り立つものとする。

例えば、外気温に応じてさらにテーブルを細分化することも可能である。

また、暖房用熱交換器１０の入口に１次側入口温度検出手段１５と、出口に１次側出口温度検出手段を備えている場合は当然それらの検出温度を用いてよく、水冷媒熱交換器３の入口に備えられた入水温度検知手段１８がある場合はその検出温度を用いてもよいように、使用する温度検出手段はＴ１ｉｎとＴ２ｉｎが検出、または推定できるものであれば使用できるものとし、その手段は限定しない。

以上のような運転を行うことで、放熱手段に対する放熱能力を給湯機本体の情報のみで自ら調節し、湯切れを防止することができる。

（実施の形態２）
図３は本発明の第２の実施の形態における動作を示すフローチャートである。暖房往き温度を目標として制御を行う通常制御中、暖房戻り温度検出手段１４により検出された温度Ｔ２ｉｎが所定の温度Ｔａより高い場合において、暖房往き温度Ｔ２ｏｕｔの目標温度をβだけ下げる（Ｓ２１）。この後、一定時間ｔだけ経過後、再度Ｔ２ｉｎ≧Ｔａの場合は、目標温度をさらにβだけ下げる。これを繰り返し、Ｔ２ｉｎ＜Ｔｂになった時点で、目標温度を再度本来の制御値に戻すものとする（Ｓ２２）。

これにより、暖房１次回路から貯湯タンクに戻る湯温をある一定の温度以下に抑えることで、ヒートポンプユニットの加熱回路に流入する水温を抑えることができるので、常に一定以上の加熱能力を確保することができるため湯切れ防止に対して有効な運転をすることができる。

なお、上記第１の実施の形態、第２の実施の形態において、暖房用熱交換器１０を使用する場合に、その容量に合わせて１次側循環ポンプ１１の運転をオンオフさせてもよい。例えば、暖房用熱交換器１０の容量が大きい場合は、仮に放熱手段９における放熱能力が小さい場合でも必ず一度に容量分の水は入れ替える。その分オフしている時間を長くすることで、暖房用熱交換器１０における熱交換が充分に行えるようにする。逆に暖房用熱交換器１０の容量が小さい場合、前述の容量が大きい場合に比べるとオンオフの間隔が短くなり、頻繁に動作するようにする。

以上のように、暖房用熱交換器１０に流入した湯の熱をひと通り取り切った時点を見計らって１次側循環ポンプ１１が運転し、入れ替わる分だけ運転した後に停止する。その回転数は暖房の負荷により調整することができるものとし、暖房用熱交換器１０の１次側の出口温度と、２次側の入口温度、つまり暖房戻り温度が常に近い状態を保つことができる。したがって、暖房１次回路から貯湯タンクに戻る湯温をより低く抑えられる。結果とし
てヒートポンプユニットの加熱回路に流入する水温を抑えることができ、より高い加熱能力を確保することができるため、湯切れ防止に対して有効な運転をすることができる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、効率のよい暖房運転をすることができるので、構成の類似している暖房機能付きの電気給湯機、ガス給湯機、石油給湯機等の暖房システムとして応用が可能である。

実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図 実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の制御フロー図 実施の形態２におけるヒートポンプ給湯機の制御フロー図 従来の給湯機の構成図

１ 冷媒回路
２ 圧縮機
３ 水冷媒熱交換器
４ 貯湯タンク
４ａ 給水管
４ｂ 出湯管
５ タンク湯温検出手段
６ 循環ポンプ
７ 出湯温度検出手段
８ 給湯熱交換器
９ 放熱手段
１０ 暖房用熱交換器
１１ １次側循環ポンプ
１２ ２次側循環ポンプ
１３ 暖房往き温度検出手段
１４ 暖房戻り温度検出手段
１５ １次側入口温度検出手段
１６ １次側出口温度検出手段
１７ 暖房表面温度検出手段
１８ 入水温度検知手段

Claims (2)

1. 圧縮機と水冷媒熱交換器とを備える冷媒回路からなるヒートポンプと、貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部からの水を前記熱交換器によって加熱して前記貯湯タンクの上部へ戻す加熱回路と、前記貯湯タンクの上部から暖房用熱交換器を介して前記貯湯タンクへ戻る暖房１次回路と、放熱手段と前記暖房用熱交換器を備える暖房２次回路と、前記暖房２次回路中の前記暖房用熱交換器出口、入口にそれぞれ設置された暖房往き温度検出手段及び暖房戻り温度検出手段と、前記暖房１次回路の湯水循環流量を調整する１次側循環ポンプと、前記暖房２次回路の湯水を循環する２次側循環ポンプと、前記貯湯タンクに配設された前記暖房１次回路への流出部近傍の湯温を検出するための湯温検出手段と、前記１次側循環ポンプの流量を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記貯湯タンクの湯温検出手段と前記暖房２次回路の暖房戻り温度検出手段と前記１次側循環ポンプの流量とにより計算された前記放熱手段による放熱量が、前記ヒートポンプの加熱能力以下となるように前記１次側循環ポンプの流量を制御するとともに、前記暖房２次回路の暖房戻り温度検出手段の検出温度が所定温度より高い場合には、前記暖房２次回路の暖房往き温度の目標値を下げることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. １次側循環ポンプは、暖房用熱交換器の容量に応じてオンオフ運転する請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。

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