JP3914830B2

JP3914830B2 - ヒートポンプ式給湯機

Info

Publication number: JP3914830B2
Application number: JP2002178548A
Authority: JP
Inventors: 秀一岩田; 誠石井; リムシュウトン; 哲信岡村
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Global Life Solutions Inc
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-06-19
Also published as: JP2004020126A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ式給湯機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の給湯機には、貯湯槽を持たずにガス等を燃焼させて、その強力な燃焼熱で瞬間的に水を沸き上げて湯を供給する燃焼式給湯機や、大容量の貯湯槽を持ち夜間割引の安い電力を利用して、夜の間に電気ヒーターで加熱した大量の湯を貯湯槽に貯蔵し、日中に貯湯槽に貯蔵した湯を使う電気温水器等があった。そして、最近では電気温水器に比較してエネルギー効率が良いと云われるヒートポンプ式給湯機が普及し始めてきた。
【０００３】
ヒートポンプ式給湯機は、電気温水器と同様に大容量の貯湯槽を設け、夜間の安価な電力を使って夜中にヒートポンプ回路で湯を沸き上げて貯湯槽に貯蔵し、貯蔵した湯を日中に使うものが一般的であるが、熱源にヒートポンプ回路における冷媒の状態変化を利用しているので、電気ヒーター加熱よりエネルギー効率が数倍良く、またガス等を燃焼しないのでＣＯ２を排出せず地球環境にやさしい給湯機と云われている。
【０００４】
係る従来のヒートポンプ式給湯機としては、特開２００１−２０８４３４号公報に開示されたものがあり、これを示す図６を参照しながら説明する。
【０００５】
従来のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機１、冷媒対水熱交換器２、減圧装置３、蒸発器４を順次接続した冷媒循環回路と、貯湯槽５、循環ポンプ６、冷媒対水熱交換器２を順次接続した給湯回路と、圧縮機１の吐出温度を検出する吐出温度検出手段１２と、外気温度を検出する外気温度検出手段１７と、冷媒対水熱交換器２の水側出口の温度を検出する沸上温度検出手段８と、冷媒対水熱交換器２の水側入口の温度を検出する入口温度検出手段１０と、所定の目標吐出温度を記憶している第一の記憶手段１３と、減圧装置３の開度の下限値（最小弁開度）を記憶している第二の記憶手段１４と、予め設定された目標吐出温度になるように減圧装置３の開度を制御する制御手段１１と、循環ポンプ６の回転数を制御するポンプ制御手段９とを設け、さらに、減圧装置３の開度に最小弁開度を設けると共に、外気温度検出手段１７からの信号によって得た外気温度により減圧装置３の最小弁開度を異ならせるようにしたものである。
【０００６】
係る従来のヒートポンプ式給湯機では、ポンプ制御手段９は、沸上温度検出手段８からの信号で循環ポンプ６の回転数を制御して、冷媒対水熱交換器２の出口水温（沸き上げ温度）をほぼ一定になるように沸き上げ、入口温度検出手段１０で検出した温度が設定値に達すると、循環ポンプ６及びヒートポンプ回路の運転を停止する。なお、貯湯槽５の貯湯された湯が出湯管１５ａから出湯されると、給水管１６ａから貯湯槽５に給水される。また、制御手段１１は、吐出温度検出手段１２及び外気温度検出手段１７からの信号と、第一の記憶手段１３の目標吐出温度及び第二の記憶手段１４の最小弁開度とに基づいて、減圧装置３の弁開度を制御する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のヒートポンプ式給湯機では、圧縮機１の能力が固定されているため、ユーザーの使用目的、例えば急いで湯を沸かしたいという場合や、急がず消費電力を節約しながら湯を沸かしたいという場合等に対応することができず、使い勝手に課題を有していた。また、１日において湯を多く使用する時間帯とあまり使用しない時間帯とがあり、圧縮機１の運転能力が固定されたままだと、これらに対して効率的に給湯することができないという課題があった。さらには、季節により外気温度は大きく変化するため、これに伴って蒸発器４の熱交換能力及び利用水の温度も大きく変化する。これによって、図７に示すように、外気温度が低い時には沸き上がり時間が長くなって（図示例では３０秒もかかって）所定の時間までに出湯温度が立ち上がらないという課題があり、外気温度が高い時には沸き上げの際に設定温度を大きく上回るオーバーシュート現象を生じて高温の湯（図示例では設定温度４２℃に対して２℃も高い湯）を給湯してしまうという課題があった。
【０００８】
また、従来のヒートポンプ式給湯機では、高温の湯を大量に貯湯槽に貯えておくことが必要であるため、ヒートポンプ回路の効率が十分に高い所で使用されていないと共に、大きな貯湯槽の表面から多くの熱が放射されてエネルギーの無駄を生じ、これらによってエネルギー効率の低下を招くという課題があった。そして、大容量の貯湯槽を有することに伴って、大きな設置スペースが必要であると共に、給湯機の運搬、設置などが面倒であるという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、外気温度が変化しても給湯立上げ時間及び給湯温度を適切にできると共に、ユーザーの使用目的に対応した給湯運転を効率的に行なうことが可能なヒートポンプ式給湯機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、冷媒対水熱交換器、減圧装置、及び蒸発器を有するヒートポンプ回路と、前記冷媒対水熱交換器で加熱された湯水を蓄える貯湯槽と、給水管から給水された水を前記冷媒対水熱交換器で加熱して出湯口へ供給することができる第２給湯回路と、前記第２給湯回路における前記冷媒対水熱交換器の出口部分の温度が上昇するまで前記貯湯槽から前記出湯口への湯水の供給を行う第１給湯回路と、前記第２給湯回路による運転時に前記冷媒対水熱交換器内の水熱交換器の出口水の沸き上げ温度が所定の温度になるように前記圧縮機の能力を制御する制御部と、を備える構成にしたことにある。
係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）外気温度検出手段を備え、前記制御部は、前記外気温度検出手段の出力に基づいて、前記圧縮機の能力を制御すること。
（２）前記出湯口へ供給される湯水の温度を検出する給湯温度検出手段と、ユーザーによって設定される給湯設定温度を保持する給湯温度指令回路と、を備え、前記制御部は、前記給湯温度検出手段によって検出された温度と、前記給湯設定温度との偏差に応じて前記圧縮機の能力を制御すること。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を、図１から図５を用いて説明する。なお、本実施例における従来例と同一符号は同一物または相当物を示す。
【００１２】
図１において、ヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプ式冷凍サイクルで形成されるヒートポンプ回路３１と、ヒートポンプ回路３１によって加熱される給湯部３２と、ヒートポンプ回路３１及び給湯部３２を制御する制御部３３とを備えて構成され、一つの箱体内にこれらを収納して構成されている。
【００１３】
ヒートポンプ回路３１は、低温低圧の冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒として吐出する能力可変型圧縮機１と、この吐出された冷媒を水熱交換器２ｂと熱交換させて凝縮させる凝縮器２ａと、この凝縮された冷媒を減圧する減圧装置３と、この減圧された冷媒を外気と熱交換させて蒸発させる蒸発器４と、を冷媒配管で接続することにより構成されている。ここで、圧縮機１は、ＰＷＭ制御、電圧制御（例えばＰＡＭ制御）及びこれらの組み合わせ制御により、低速（例えば２２００回転／分）から高速（例えば８０００回転／分）まで回転数制御されるようになっている。
【００１４】
給湯部３２は、６０Ｌ程度の少量の湯を貯湯するための小容量貯湯槽５と、凝縮器２ａと熱交換して加熱される水熱交換器２ｂと、貯湯槽５の水を水熱交換器２ｂを通して循環させる循環ポンプ６と、貯湯槽５及び水熱交換器２ｂに利用水を供給する給水管１６と、貯湯槽５及び水熱交換器２ｂから給湯する出湯管１５と、を備えて構成されている。凝縮器２ａと水熱交換器２ｂとで冷媒対水熱交換器２を構成している。
【００１５】
ここで、給湯部３２は、貯湯槽５、循環ポンプ６及び水熱交換器２ｂからなる貯湯回路と、給水管１６、貯湯槽５及び給湯管１５からなる第1の給湯回路と、給水管１６、水熱交換器２ｂ及び給湯管１５からなる第２の給湯回路とが切換え可能に形成される。なお、これらの切換えのために必要なセンサ及び制御弁などは図示を省略する。
【００１６】
制御部３３は、給湯機の状態を検出して、貯湯回路、第１の給湯回路及び第２の給湯回路を選択して切換える制御機能と、ヒートポンプ回路３１の圧縮機１及び減圧装置３の制御や給湯部３２の循環ポンプ６の制御を行なう機能とを備えている。具体的に説明すると、制御部３３は、圧縮機回転数検出手段２１と、給湯管１５の温度を検出する給湯８温度検出手段と、水熱交換器２ｂの入口温度を検出する入口温度検出手段１０と、外気温度を検出する外気温度検出手段１７と、温度指令回路２２と、駆動回路を介して圧縮機１及び循環ポンプ６を制御する制御手段１１とを備えている。外気温度検出手段１７は蒸発器４の通風路に設けられて外気温度を検出するようになっている。
【００１７】
次に、係る構成のヒートポンプ式給湯機の運転動作の概要を説明する。
【００１８】
まず、貯湯槽５への貯湯運転について説明する。貯湯運転は、出湯が行なわれていない時に貯湯槽５の出口側温度を検出し、その検出温度が所定温度（例えば６０℃）以下の場合に、ヒートポンプ回路３１及び給湯部３２を運転して貯湯槽５に所定温度以上の湯を貯湯するために行なう運転である。
【００１９】
この時のヒートポンプ回路３１の運転は圧縮機１が運転されることにより行なわれ、ヒートポンプ回路３１の冷媒は、圧縮機１で高温高圧となって凝縮器に供給され、凝縮器２ａで水熱交換器２ｂの利用水を加熱して凝縮されて減圧装置３に至り、減圧装置３で減圧されて蒸発器４に至り、ファンにより送風される外気から蒸発器４で吸熱して蒸発した後に圧縮機１に戻る。
【００２０】
一方、上記貯湯運転における給湯部３２の運転は循環ポンプ６が運転されることにより行なわれ、貯湯槽５内の水は、水熱交換器２ｂに送られて凝縮器２ａにより加熱され、水熱交換器２ｂから給湯される湯が貯湯槽５内に溜められるように貯湯回路を循環される。これによって貯湯槽５の水は６０℃付近まで加熱されて貯湯される。貯湯槽５全体が所定温度以上なると、循環ポンプ６の運転が停止され、貯湯運転が終了する。
【００２１】
この状態で出湯口１５ａからの出湯が始まると、給水管１６、貯湯槽５及び給湯管１５からなる第1の給湯回路が形成され、貯湯槽５内の湯が出湯口１５ａから出湯される。これと共にヒートポンプ回路３１の運転も開始される。この運転によって水熱交換器２ｂの水が加熱され、その出口部分の温度が上昇すると、給水管１６、水熱交換器２ｂ及び給湯管１５からなる第２の給湯回路が形成され、第２の給湯回路による出湯に移行される。これによって、貯湯槽５は小容量のもので十分に機能することとなり、貯湯槽５の湯切れを防止しつつ、貯湯槽５の表面から放射される熱エネルギーの無駄が低減すると共に、小型及び軽量で輸送性及び据付け性に優れたヒートポンプ式給湯機とすることができる。しかも、この第２の給湯回路による水熱交換器２ｂからの給湯温度は、貯湯回路による貯湯温度より大幅に低い温度である実際の使用温度でよく、第２の給湯回路によるヒートポンプ回路３１の効率は貯湯運転時に比較して向上することができる。
【００２２】
この第２の給湯回路の形成により、給水管１６から給水された利用水が水熱交換器２ｂで加熱され、水熱交換器２ｂから出た湯が給湯管１５を通り出湯口１５ａから出湯されることとなり、出湯が終了するまでこの状態が継続される。
【００２３】
次に、圧縮機１の具体的な制御について図２から図５を参照しながら説明する。
【００２４】
制御手段１１はコントローラ１１ａ及び圧縮機駆動装置１１ｂを有しており、コントローラ１１ａ及び圧縮機回転数検出手段２１の信号に基づいて圧縮機駆動装置１１ｂを駆動し、圧縮機１の回転数を制御しながら駆動する。
【００２５】
コントローラ１１ａは、外気温度変数ｋと出湯温度偏差ΔＴとが入力され、この両者ｋ、ΔＴに基づいて指令値である目標回転数Ｎ^*を算出して出力する。圧縮機駆動装置１１ｂは、指令値Ｎ^*と圧縮機回転数検出手段２１で検出した回転数Ｎとに基づいて、低速域でＰＷＭ制御及び高速域でＰＡＭ制御により圧縮機１の回転数を制御しながら駆動し、水熱交換器２ｂの給湯温度（出口水の沸き上げ温度）がほぼ一定になるように制御する。なお、ＰＡＭ制御は、電圧を変えることにより制御するものであればよい。
【００２６】
給湯温度偏差ΔＴは、給湯温度指令回路２２により予め設定された給湯温度設定値Ｔ_set（例えば４２℃）と給湯８温度検出手段で検出された給湯温度Ｔ_wとの温度偏差であり、水熱交換器２ｂからの給湯温度を制御する制御値となるものである。コントローラ１１ａは、図３に示すように、給湯温度偏差ΔＴに応じた目標回転数Ｎ*を算出して出力するようになっている。なお、図３は外気温度Ｔａが２５℃の場合の例である。
【００２７】
また、外気温度変数ｋは、基準値Ｔａ^*と外気温度検出手段１７で検出された外気温度Ｔａとの温度偏差であり、図４に示すように外気温度Ｔａに応じて変化し、水熱交換器２ｂからの給湯温度を制御する制御値となるものである。
【００２８】
ここで、外気温度が２５℃と検出された場合は、外気温度変数ｋは図４の特性図より１．０となる。これによって、図３に示す外気温度２５℃における給湯温度偏差ΔＴに対する圧縮機１の目標回転数Ｎ*（例えば５０００回転／分）が算出され、水熱交換器２ｂからの給湯温度が給湯設定温度（例えば４２℃）に近づくように圧縮機１の運転が開始される。圧縮機１の運転により、水熱交換器２ｂからの給湯温度が上昇してくると、給湯温度偏差ΔＴが小さくなり、これによって圧縮機１の目標回転数Ｎ*が小さくなって運転される。
【００２９】
従って、ユーザーの使用目的、例えば急いで湯を沸かしたい場合には、給湯温度指令回路２２の給湯設定温度を高くすることによって圧縮機１が高速から運転開始されて短時間で給湯温度を上昇させることができ、急がず消費電力を節約しながら湯を沸かしたい場合には給湯温度指令回路２２の給湯設定温度を低くすることによって圧縮機１が低速から運転開始されて効率よく運転させることができる。また、湯を多く使用する時間帯及びあまり使用しない時間帯で共に圧縮機１の運転能力が可変制御されるので、効率的に給湯することができる。
【００３０】
また、外気温度Ｔａが低い場合において、圧縮機１の回転数をコントローラ定数ｋ・ΔＴに応じて制御させることで、冷媒対水熱交換器５の採熱効率が上がり、図５に示すように設定温度４２℃まで上昇するのが従来よりも速く沸き上がるようになる（図示例では約１５秒で沸き上がる）。この時、圧縮機１の目標回転数Ｎ*は８０００〜２２００回転／分までの範囲で給湯温度偏差ΔＴに応じて変化し、従来例の３０秒費やした出湯制御が、本実施例においては約１５秒と半分のスピードで給湯温度を設定値に到達できる。さらに、外気温度Ｔａが高い場合において、図５に示すように、給湯温度の行き過ぎ温度は給湯設定値４２℃に対して行き過ぎ誤差±1℃以下に抑制できる。これにより、出湯時において、ユーザーに高温のお湯があたるという不快感を確実になくすことができる。
以上、本実施例によれば、ユーザーの使用目的に対応した給湯運転を効率的に行なうことが可能なヒートポンプ式給湯機を得ることができる。
また、外気温度が変化しても給湯立上げ時間及び給湯温度を適切にできると共に、ユーザーの使用目的に対応した給湯運転を効率的に行なうことが可能なヒートポンプ式給湯機を得ることができる。
また、エネルギー効率がよく、小型及び軽量で輸送性及び据付け性に優れると共に湯切れを防止でき、ユーザーの使用目的に対応した給湯運転を効率的に行なうことが可能なヒートポンプ式給湯機を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の実施例の説明から明らかように、本発明によれば、給湯立上げ時間及び給湯温度を適切にできると共に、ユーザーの使用目的に対応した給湯運転を効率的に行うことが可能なヒートポンプ式給湯機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のヒートポンプ式給湯機の構成図である。
【図２】図１の圧縮機の運転制御ブロック図である。
【図３】図１のヒートポンプ式給湯機の給湯温度偏差に対する目標回転数の特性図である。
【図４】図１のヒートポンプ式給湯機の外気温度に対する給湯温度偏差の特性図である。
【図５】図１のヒートポンプ式給湯機の沸き上げ温度の特性図である。
【図６】従来のヒートポンプ式給湯機の構成図である。
【図７】図６のヒートポンプ式給湯機の沸き上げ温度の特性図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…冷媒対水熱交換器、２ａ…凝縮器、２ｂ…水熱交換器、３…減圧装置、４…蒸発器、５…給湯槽、６…循環ポンプ、８…給湯温度検出手段、１０…入口温度検出手段、１１…制御手段、１１ａ…コントローラ、１１ｂ…圧縮機駆動装置、１５…出湯口、１６…給水口、１７…外気温度検出手段、２１…圧縮機回転数検出手段、２２…給湯温度指令回路、２３…コントローラ、３１…ヒートポンプ回路、３２…給湯部、３３…制御部。

Claims

圧縮機、冷媒対水熱交換器、減圧装置、及び蒸発器を有するヒートポンプ回路と、
前記冷媒対水熱交換器で加熱された湯水を蓄える貯湯槽と、
給水管から給水された水を前記冷媒対水熱交換器で加熱して出湯口へ供給することができる第２給湯回路と、
前記第２給湯回路における前記冷媒対水熱交換器の出口部分の温度が上昇するまで前記貯湯槽から前記出湯口への湯水の供給を行う第１給湯回路と、
前記第２給湯回路による運転時に前記冷媒対水熱交換器内の水熱交換器の出口水の沸き上げ温度が所定の温度になるように前記圧縮機の能力を制御する制御部と、を備えるヒートポンプ式給湯機。
請求項１において、
外気温度検出手段を備え、
前記制御部は、前記外気温度検出手段の出力に基づいて、前記圧縮機の能力を制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
請求項１または２において、
前記出湯口へ供給される湯水の温度を検出する給湯温度検出手段と、
ユーザーによって設定される給湯設定温度を保持する給湯温度指令回路と、を備え、
前記制御部は、前記給湯温度検出手段によって検出された温度と、前記給湯設定温度との偏差に応じて前記圧縮機の能力を制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。