JPS61262544A - 貯湯式ヒ−トポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はヒータを備えた深夜電力利用の貯湯式ヒートポ
ンプ給湯機に関するものである。

〔従来の技術〕

ヒートポンプ加熱機は大気熱を熱源としている為効率が
電気ヒータの約３倍もめる非常ＶｃＩｉＩ。

済的な加熱機である。しかしその反面、大気熱を熱源と
している為加熱能力は外気温に大きな影響を受け、また
ヒートポンプ加熱機で昇温できる最高水温（第１の所定
水温）は使用冷媒の糧類にもよるが、一般に５０〜６５
℃程度と一般家庭の給湯に必要とされる６５〜８５℃よ
り低い。以上の事からヒートポンプ給湯機には補助熱源
としてヒータが備えられ、また使用電力は電気料金が割
安である深夜電力（通電時間は５〜８時間）が使用され
ている。

こういったヒートポンプ給湯機では、ヒータとヒートポ
ンプ加熱機の運転制御方式の違いにより使用勝手及び経
済性が大きく異なってくる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以下に従来の運転制御方式と問題点を説明する。

（１）　　ヒートポンプ加熱機とヒータを深夜電力通電
開始と同時にスタートさせ沸き上げる方式は、制御は簡
単でかつ短時間で設定された沸き上げ温度まで沸き上げ
ることが可能であるが、ヒートポンプ加熱機の稼動率が
低く、また早く沸き上がる為に放熱が大きく不経済であ
るという欠点があった。

（２）　　ヒートポンプ加熱機たけて第１の所定水温ま
で沸き上げ、それ以後はヒータだけで沸き上げる方式は
、ヒートポンプ加熱機の稼動率が高く経済的ではめるが
、冬期のように給湯負荷が大きく、また外気温が低い為
ヒートポンプ加熱機の加熱能力が低い時期には深夜電力
通電時間内では設定された沸き上げ温度に沸き上がらな
いという欠点がある。

（３）深夜電力通電開始と同時にヒートポンプ加熱機は
運転を開始しその時の外気温を検知しこの値によりヒー
タへの通電時刻を設定する方式では、貯湯槽内の水温を
考慮していない為深夜電力通電開始時の貯湯槽内の水温
の違いにより早く沸き上がシすぎたり、沸き上がらなか
ったシするという欠点がある。

（４）マイコンを使用し深夜電力通電開始時点で貯湯槽
内の各部温度から残湯Ｘをまた外気と貯湯槽内の湯温か
らヒートポンプ加熱機の加熱能力と効率を算出し、これ
と設定された沸き上げ温度を比較し、ヒートポンプ加熱
機とヒータの運転時間を演算して制御する方式では、経
済性は良くなるが数多くのセンサが必要とな）制御が複
雑で高価になる。また、深夜電力通電中の途中出湯には
これでも対応できないという欠点があった。

以上述べてきたように、従来の制御方式では経済性、使
い勝手、制御のシンプルさという３要素を同時に満足で
きるものはなか−）　ｆｃ　。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕この発明はこ
のような従来の欠点に着目してなされたもので、深夜電
力通電終了迄に設定された沸き上げ温度に確実に沸き上
が夛、ヒートポンプ加熱機の稼動率が高く経済的な運転
が可能で、かつ制御がシンプルな貯湯式ヒートポンプ給
湯機を安価に提供することを目的とする。

以下、この発明を肉面に基づいて説明する。

第１図は本発明のヒートポンプ給湯機の基本概念を示す
図であシ、貯湯槽１にはヒータ２が組み込まれ、ヒート
ポンプ加熱機５との熱交換を行なうため水を循環する循
環ポンプ４、水熱交換器５がある。更に貯湯槽１には水
温を検出する湯温センサ６がある。この湯温センサ６の
位置は貯湯槽１の下部が好ましい。一方、ヒートポンプ
加熱機５は圧縮機３ａ、蒸発器３ｂ１ファン５ｃ、膨張
弁３ｄから成り、冷媒がこれらの系に水熱交換器５を含
めた閉回路内を循環することにより、大気熱を吸熱し貯
湯槽１内の水を加熱するヒートポンプサイクルｔ−構成
している。７は外気温を検出する外気温センサ、８は沸
き上げ温度を設定する湯温設定装置であり、沸き上げ温
度（Ｔ２）は無段階としてもよいが、無数のヒータ通電
条件曲線群を記憶するのが不可能なため演算装置（図示
しない）を設は曲面の式として記憶しなければならない
。そこで沸き上げ温度（Ｔ２）は６０℃、７０℃、８０
℃の５段階程度とした方が実用上便い易く、以下読切す
る制御もシンプルになる。９は第３図に示すような沸き
上げ温度（Ｔ２）と外気温（Ｔａ）に対応したヒータ通
電条件曲１１ｊｔ−記憶した記憶装置である。ここで、
記憶する曲線’ｔ−（ＴＢ）とすると（ＴＢ）は、第２
図に示す例のように、０≦ｔ　＜　ｔ　ｓの直線ＴＢ（
ａ−ｂ）と、ｂｓｔ≦８の直線ｒｎ（ｂ−ｃ）から成り
、それぞれ以下のようにして求められる。

ヒータ２の加熱能カニ　ＱＥ（ｍｌ／ｈ　）　、ヒート
ポンプ加熱機５の加熱能カニ　ＱＨＰ　（ｋ１２Ｌ／ｈ
　）　を貯湯槽１の容ｆ：Ｖ（１）、時間：ｔ（ｈ）、
ヒータ通電条件的ｆｔｌ：　Ｔｎ＝ｆ（ｔ）ｒＱ＊　ヒ
ータ２０加’Ｊｌｒａ能力ｏ係数：α（０くαく１）、
ヒータ２とヒートポンプ加熱機５を同時運転した時の加
熱能力の係数：β（０くβ〈１）、定数二Ｆ、定数二〇
、沸き上げ温度：Ｔｚ（”Ｃ）、第１の所定水温：Ｔｓ
（℃）。

深夜電力通電時間：８（ｈＬＬ１２所定水温に達しなけ
ればならない時間：　ｔｌ（ｈ）とすれば、直線ＴＢ（
ｂ　ｃ）は ＴＢ（ｂ−ｃ）＝ｆｆ−Ｓ！！−ｔ＋Ｆ７　　　　　　
　　　°°°°−−−−−　＋１）０点（８、Ｔ、を通
るこ七よｐ （２）弐ｔ−（１）式に代入すると Ｅ ＴＢ（ｂ−ｃ）＝ｆｆ　　（ｔ−８）＋Ｔ＊　　　　　
””・・”’（１’）■ で決定できる。また直１１１７Ｂ（ａ−ｂ）は。

ｂ点（ｔｔ＊Ｔｌ）　ｔ−通ることより１、＝βμ！９
穀３、十Ｇ ■ （４）式を（５）式に代入して で決定できる。また（３′）式中のｔｌは次のようにし
て求めることができる。（１′）式がｂ点を通電に、（
１′）式、（３’）式中の係数、α、βは下記事項を考
慮し実験により決定する必要がある。

α、βがＯＶｃ近づけば、ヒータ２の稼動率が高まりヒ
ートポンプ加熱機３の稼動率が低下して消費電力が大き
くなってしまう。逆にα、βがＩＶＣ近づけば、ヒータ
２の稼動率が最小限となシ、深夜電力通電中に出湯があ
った場合設定された沸き上げ温度（Ｔ２）に沸き上がら
ないことがある。このように、α、βはヒートポンプ給
湯機の性能全左右する重要な係数である。

次に記憶すべきデータの量であるが、記憶装置９の記憶
容量に限界があり、曲Ｍ（Ｔｎ）を連続した線として記
憶するのは不可能である。またそれほど多くのデータは
現実に必要でなく、第５図に示すように曲線（Ｔａ）　
１本につき約１０〜５０組のデータがあれば良い。

また演算装置（図示しない）を設ければ、曲＃（Ｔｎ）
ｔ一式として記憶できる。

記憶する曲１１（ＴＢ）の本数は〔沸き上げ温度（Ｔ２
）の種類〕×〔外気温（Ｔａ）を分類する数〕となり第
３図の例では５×５＝９本である。

ここで沸き上げ温度（Ｔ−）の種類は前にも述べたが５
穏和度でよく、また外気温（Ｔａ）　ｔ−分類する数は
多い程経済的で使い勝手の良い制御が可能だが、制御に
必要となるコスト及び実用上の問題を考えれば１〜５種
類の分類が適正である。１０はヒータ２とヒートポンプ
加熱機５を０Ｎ−ＯＦＦさせ設定された沸き上げ温度（
Ｔ２）まで沸き上げる制御装置で、その役割を第６図を
例にｗＲシ以下詳細に説明する。

深夜電力の通電が開始されると、外気温センサ７から外
気温（Ｔａ）及び湯温設定装ｆＩｔ８から設定温度（Ｔ
２）を読み込みそれらの組み合わせにより、記憶装置９
内に記憶されている第３図に示すようなヒータ通電条件
曲線（ＴＢ）から１本の曲線（Ｔｎ）を選択する。次に
湯温センｔ６から貯湯槽内の水温（Ｔｗ）及び深夜電力
通電開始時点からの時間（１）を読み込みまずＴｗとＴ
２を比較し、Ｔｗ≧Ｔ！の場合はヒータ２とヒートポン
プ加熱機３ｔ−共にＯＦＦにし、再び水温（Ｔｗ）及び
時間（１）の読め込みの所まで戻すようにする。

こうしておけば、深夜電力通電中の出湯によりＴｗ＜Ｔ
ｚとなりた場合にも以下に説明するように対応できるよ
うになる。Ｔｗ　＜　Ｔ　＊の場合は次のステップに進
み、ＴＶと第１の所定水温（Ｔ１）を比較し、Ｔｗ＜Ｔ
ｓならヒートポンプ加熱機３をＯＮ、Ｔｗ≧ＴｌならＯ
ＦＦする。次のステップでは、最初に記憶装置９から選
択した曲線（ＴＢ）からその時間（１）での値を求めＴ
ｗとＴａｆ比収し、Ｔｗ≧ＴＢならヒータ２をＯＦＦ、
ＴＶ＜ＴＢならＯＮにし、再び水温（Ｔｗ）及び時間（
１の読め込みの所へ戻す。以上のフローを深夜電力通電
終了時刻までくり返している。また、水温（Ｔｗ）ｔ　
時間（１）の読み込み周期は短い程正確な制御ができる
が、現＊には１０〜５０分程度の周期でも問題はない、
第４図は上記の制御条件を補足説明する図であり、貯湯
槽１内の水温（Ｔｗ）がこの図のどの領域内にあるかに
より、ヒータ２とヒートポンプ加熱機３のＯＮ　−ＯＦ
Ｆ条件が示されている。

第２図は以上の制御を行なって貯湯槽内を沸き上げる過
程を示したものであり、実線がヒータ通電条件曲線（Ｔ
Ｂ）、破腺が貯湯槽内水温（（Ｔｗ）の昇温状態を示し
ている。

まず、ａ−ｂ区間では水温（Ｔｗ）が第１の所定水温（
Ｔｌ）よル低いので、ヒートポンプ加熱機５ｆＯＮとし
ている。そして、ヒータ２はａ−Ｃ区間で一定周期で水
温（Ｔｗ）と曲１（ＴＢＪを比較しＴｗ（ＴＢなら次の
比較までＯＮ、Ｔｗ≧ＴＢなら次の比較までＯＦＦとす
る。以上のことをくり返すことにニジ、設定された沸き
上げ温度（Ｔ２　）までヒータ通電条件曲線（Ｔｎ）［
沿りて理想的な条件て沸き上げることができる・（発明
の効果〕 以上説明してきたように、本廃明のヒートポンプ給湯機
は、貯湯槽内水温（Ｔｗ）　ｆｔ記憶装置９内に記憶し
たヒータ通電条件曲線（Ｔａ）　（実際には理想的な沸
き上げパターンを示している）と設定された沸゛き上げ
温度（Ｔ２）と第１の所定水温（Ｔ１）とを比較し、ヒ
ータ２とヒートポンプ加熱機５ｆＯＮ−ＯＦＦさせると
いう極めて簡単な制御装置で、従来の数多くのセンサや
演算装置を必要とした高級な制御装置で実現できる制御
と同等の経済性、使い勝手の良さを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１（８）は本発明のヒートポンプ給湯機の基本概念図
、ｔｊｃ２図は貯湯槽の沸き上げ過程図の一例、第５図
は記憶装置内に記憶されたヒータ通電条件曲線群、第４
図はヒータとヒートポンプのＯＮ、ＯＦＦ　　領域図の
一例、第５図は記憶装置内に記憶されたデータの例、第
６肉は運転制御のフローチャートである。 符号の説明 １　貯湯槽　　　　　　２　電気ヒータ３　　ヒートポ
ンプ加熱機　　　５ａ比圧縮３ｂ蒸発器　　　　　　３
ｃ　ファン ３ｄ膨張弁　　　　　　４　伽環ポンプ５　水熱交換器
　　　　６　＃温センサ７　外気温センサ　　　８　湯
温設定装置９　記憶装置　　　　　　１０　　制御装置
づ〆 第１図 時間ｔ　０１） ［＝＝＝］ヒートポンプ加ｍａ：ｏｔ”ｔ”　　ヒータ
：ＯＦＦ口≦Ｘｌ　　ヒートポンプ１０熱、Ｓ：ＯＮ　
　ヒータ：α〒［Σ二２コ　ヒートボン１０熱機：ＯＦ
Ｆ　　ヒータ：ＯＮ口にΣコ　ヒートポンプ７［１６Ｓ
　：ＯＮ　　　ヒータ：ＯＮダ色４図 時間ｔ　（ｈ） ２楕データ （時間：を湿度二Ｔ） （Ｑ、２４）　（ｊ、３３　’）　（２，４２）　（３
，５０）　（４，５６）（５，６２）　（６，６８）（
７，７４）　（８，８０）第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、電気ヒータを備えた深夜電力利用の貯湯式ヒートポ
   ンプ給湯機において、貯湯槽内の水温を検出する湯温セ
   ンサ、外気温を検出する外気温センサ、沸き上げ温度を
   設定する湯温設定装置、設定された沸き上げ温度と外気
   温に対応した複数の電気ヒータ通電条件曲線を記憶した
   記憶装置および貯湯槽内の水温が設定された沸き上げ温
   度より低い場合は、ヒートポンプ加熱機を深夜電力通電
   開始からヒートポンプ加熱機で昇温できる最高水温に達
   するまで運転し、電気ヒータはこれと並行し前記記憶装
   置に記憶された電気ヒータ通電条件曲線と、貯湯槽内の
   水温を常時または一定時間毎に比較し、水温が曲線より
   低い場合は電気ヒータを次の比較時刻までＯＮ、水温が
   曲線より高い場合は電気ヒータを次の比較時刻までＯＦ
   Ｆさせ、これを繰り返すことにより深夜電力通電終了時
   までに設定された沸き上げ温度に沸き上げる制御装置か
   らなることを特徴とする貯湯式ヒートポンプ給湯機。