JP2007113896A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒートポンプサイクルRの運転中に沸き上げ温度の設定値が変更された時にも、サイクルの性能および安定性を確保することのできるヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】貯湯運転から瞬間給湯運転への運転切り替えを行う際、所定の設定値に応じた沸き上げ温度に変更した後、所定の設定値に応じた加熱能力に変更するようにしている。
これによれば、貯湯運転から瞬間給湯運転へ運転モードが切り替って沸き上げ温度の設定値が変更された場合、先ず瞬間給湯運転での低温水の湯温を確保した後、その湯温にて大能力で給湯するための給湯能力を確保する制御となるため、湯温のハンチングやサイクルのハンチングが発生するのを防ぐことができる。このように、沸き上げ温度の設定値が変更された場合、湯温の変更をした後に加熱能力の変更を順に行うことで、サイクルの性能と安定性とを確保するヒートポンプ式給湯装置とすることができる。
【選択図】図2
【解決手段】貯湯運転から瞬間給湯運転への運転切り替えを行う際、所定の設定値に応じた沸き上げ温度に変更した後、所定の設定値に応じた加熱能力に変更するようにしている。
これによれば、貯湯運転から瞬間給湯運転へ運転モードが切り替って沸き上げ温度の設定値が変更された場合、先ず瞬間給湯運転での低温水の湯温を確保した後、その湯温にて大能力で給湯するための給湯能力を確保する制御となるため、湯温のハンチングやサイクルのハンチングが発生するのを防ぐことができる。このように、沸き上げ温度の設定値が変更された場合、湯温の変更をした後に加熱能力の変更を順に行うことで、サイクルの性能と安定性とを確保するヒートポンプ式給湯装置とすることができる。
【選択図】図2
Description
本発明は、給湯用水を加熱するヒートポンプユニット部を有し、そのヒートポンプユニット部で沸き上げた湯を、タンクに貯める貯湯運転と、直接給湯側へ出湯する瞬間給湯運転とを行うヒートポンプ式給湯装置に関するものである。
従来技術として、下記特許文献1に示されるヒートポンプ給湯装置がある。このヒートポンプ給湯装置においては、水道からの水をヒートポンプユニットへ流入させ、直接水道水の加熱を行い、給湯端末へ加熱水を供給するものである。また、小型のタンクを有し、加熱水を貯湯しておき、ヒートポンプユニットの起動立ち上がり時の出湯時には貯湯温水を利用し、サイクル安定時にヒートポンプからの直接出湯に切り替えるシステムとなっている。
特開2003−240339号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載の給湯装置においては、タンクへ貯湯する貯湯運転中に直接出湯の要求が来て設定沸き上げ温度を変化させる場合、湯温のハンチングやサイクルのハンチングが発生してしまうおそれがあり、システムの信頼性が低いという問題点がある。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、高温水を低能力で貯湯する貯湯運転と、低温水を大能力で給湯する給湯運転とが可能であるヒートポンプ式給湯装置において、ヒートポンプサイクルの運転中に沸き上げ温度の設定値が変更された時にも、サイクルの性能および安定性を確保することのできるヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために、請求項1ないし請求項6に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項1に記載の発明では、圧縮機(1)、高圧側熱交換器(2)、減圧手段(3、30)、低圧側熱交換器(4)によって形成されるヒートポンプサイクル(R)を有し、低圧側熱交換器(4)にて外気から吸熱し高圧側熱交換器(2)からの放熱によって給湯用水を加熱して湯とするヒートポンプユニット部(10A)と、
ヒートポンプユニット部(10A)で加熱された湯をタンク(7)内に貯めると共に、給湯用として直接的あるいは間接的にユーザーの使用する給湯側へ出湯するタンクユニット部(10B)とを有し、
ヒートポンプユニット部(10A)によって沸き上げた湯をタンク(7)内に貯める貯湯運転と、
ヒートポンプユニット部(10A)によって沸き上げた湯を直接給湯側へ出湯する瞬間給湯運転とを行うヒートポンプ式給湯装置において、
貯湯運転から瞬間給湯運転への運転切り替えを行う際、所定の設定値に応じた沸き上げ温度に変更した後、所定の設定値に応じた加熱能力に変更することを特徴としている。
ヒートポンプユニット部(10A)で加熱された湯をタンク(7)内に貯めると共に、給湯用として直接的あるいは間接的にユーザーの使用する給湯側へ出湯するタンクユニット部(10B)とを有し、
ヒートポンプユニット部(10A)によって沸き上げた湯をタンク(7)内に貯める貯湯運転と、
ヒートポンプユニット部(10A)によって沸き上げた湯を直接給湯側へ出湯する瞬間給湯運転とを行うヒートポンプ式給湯装置において、
貯湯運転から瞬間給湯運転への運転切り替えを行う際、所定の設定値に応じた沸き上げ温度に変更した後、所定の設定値に応じた加熱能力に変更することを特徴としている。
この請求項1に記載の発明によれば、ヒートポンプユニット部(10A)の運転中に貯湯運転から瞬間給湯運転へ運転モードが切り替って沸き上げ温度の設定値が変更された場合、先ず瞬間給湯運転での低温水の湯温を確保した後、その湯温にて大能力で給湯するための給湯能力を確保する制御となるため、湯温のハンチングやサイクルのハンチングが発生するのを防ぐことができる。このように、沸き上げ温度の設定値が変更された場合、湯温の変更をした後に加熱能力の変更を順に行うことで、サイクルの性能と安定性とを確保するヒートポンプ式給湯装置とすることができる。
また、請求項2に記載の発明では、請求項1に記載のヒートポンプ式給湯装置において、沸き上げ温度の変更は、高圧側熱交換器(2)へ給湯用水を流通させる水循環量可変手段(6)での流量を可変することによって行うことを特徴としている。
また、請求項3に記載の発明では、請求項1または請求項2に記載のヒートポンプ式給湯装置において、加熱能力の変更は、圧縮機(1)での冷媒吐出量を可変することによって行うことを特徴としている。
また、請求項4に記載の発明では、請求項1または請求項2に記載のヒートポンプ式給湯装置において、加熱能力の変更は、減圧手段(3、30)での冷媒流量を可変することによって行うことを特徴としている。
これら請求項2〜4に記載の発明によれば、沸き上げ温度は水循環量可変手段(6)の出力のコントロール、加熱能力は圧縮機(1)の回転数のコントロール、もしくは減圧手段(3、30)の絞り開度のコントロールでそれぞれ個別に制御することにより、制御手段が容易となる。
また、請求項5に記載の発明では、請求項1ないし請求項4のうちいずれか1項に記載のヒートポンプ式給湯装置において、ヒートポンプサイクル(R)は、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界サイクルであることを特徴としている。この請求項5に記載の発明によれば、超臨界サイクルは、貯湯時に利用される高温沸き上げ温度(例えば90℃)と、瞬間給湯時に利用される低温沸き上げ温度(例えば45℃)と、幅広い利用温度帯に対応することが可能となる。
また、請求項6に記載の発明では、請求項5に記載のヒートポンプ式給湯装置において、ヒートポンプサイクル(R)に使用する冷媒は、二酸化炭素(CO2)冷媒であることを特徴としている。この請求項6に記載の発明によれば、具体的に使用する冷媒として、二酸化炭素(CO2)冷媒が実施容易である。ちなみに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態(請求項1〜3、5、6に対応)について添付した図1〜3を用いて詳細に説明する。まず図1は、本発明の第1実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の全体構成を示す模式図である。本給湯装置は、図1に示すように、給湯用水を加熱するヒートポンプユニット部10Aと、加熱された高温の湯を貯めると共に給湯部(シャワー、カラン、風呂など)に出湯するタンクユニット部10Bとを有している。
以下、本発明の第1実施形態(請求項1〜3、5、6に対応)について添付した図1〜3を用いて詳細に説明する。まず図1は、本発明の第1実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の全体構成を示す模式図である。本給湯装置は、図1に示すように、給湯用水を加熱するヒートポンプユニット部10Aと、加熱された高温の湯を貯めると共に給湯部(シャワー、カラン、風呂など)に出湯するタンクユニット部10Bとを有している。
また、ヒートポンプユニット部10Aは、ヒートポンプサイクルRと、このヒートポンプサイクルRの作動を制御する制御部20とを有している。ヒートポンプサイクルRは、圧縮機1、放熱器(本発明における高圧側熱交換器に対応)2、可変式膨張弁(本発明における減圧手段に対応。以下、膨張弁と略す)3、蒸発器(本発明における低圧側熱交換器に対応)4、アキュームレータ5が順次環状に配管接続されて形成されたもので、内部を流れる冷媒として二酸化炭素(CO2)冷媒を使用している。
圧縮機1は、内蔵される図示しない電動モータによって駆動され、アキュームレータ5より吸入した気相冷媒を臨界圧力以上に圧縮して吐出する。なお、圧縮機1は、後述する制御部20によって稼働およびその冷媒圧縮量(回転数)が制御されるようになっている。放熱器2は、圧縮機1より吐出された高温冷媒(ホットガス)と、後述する貯湯タンク7(本発明におけるタンクに対応)内から供給される給湯用水との間で熱交換し、放熱作用によって給湯用水を加熱して高温の湯(例えば、目標温度90℃)とするものである。
この放熱器2は、冷媒が流れる冷媒流路2aと、給湯用水が流れる給湯用水流路2bとを有し、冷媒流路2aを流れる冷媒の流れ方向と給湯用水流路2bを流れる給湯用水の流れ方向とが対向するように構成されている。なお、放熱器2を流れる二酸化炭素(CO2)冷媒は、圧縮機1で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器2を流通する給湯用水に放熱して温度低下しても凝縮することは無い。
膨張弁3は、放熱器2から流出する冷媒を弁開度(絞り開度)に応じて等エンタルピ的に減圧する減圧装置であり、具体的には弁開度を小さくすることで、より大きな減圧を行う。換言すると、弁開度を小さくすることで冷媒の高圧側に対しては圧力を上昇させる。膨張弁3は、後述する制御部20によって弁開度が電気的に制御されるようになっている。
蒸発器4は、外気ファン4aによって送風される外気から吸熱して、膨張弁3で減圧された冷媒を蒸発させる熱交換器である。なお、外気ファン4aは、後述する制御部20によって稼働およびその送風量(回転数)が制御されるようになっている。アキュームレータ5は、蒸発器4より流出する冷媒を気液分離して、気相冷媒のみを圧縮機1に吸入させると共に、サイクル中の余剰冷媒を液冷媒として蓄えるレシーバである。
一方、タンクユニット部10Bは、貯湯タンク7、沸き上げ回路W、給湯回路Kおよび沸き上げ回路W・給湯回路Kの作動を制御する制御部20(上記ヒートポンプユニット部10Aの制御部20と一体)を有している。貯湯タンク7は、耐食性に優れた例えばステンレスなどの金属製の容器(容量230L以下であり、ここでは容量200Lの設定)であり、外周部には図示しない断熱材が配置され、高温の湯を内部に貯めて長時間にわたって保温することができるようになっている。
貯湯タンク7の外壁面には複数の(本例では5つの)水位サーミスタ18が縦方向にほぼ等間隔に配置され、貯湯タンク7内に満たされた水あるいは高温の湯の各水位レベルでの温度情報を後述する制御部20に出力するようになっている。例えば、容量200Lの貯湯タンク7においては、容量50L刻みの水位レベルの温度情報を出力し、貯湯タンク7内上方の沸き上げられた高温の湯と、貯湯タンク7内下方の沸き上げられる前の水との境界面を50L刻みで検出できるようになっている。
まず、沸き上げ回路Wは、水循環量可変手段としてのウォーターポンプ6によって貯湯タンク7内の水が下側の冷水出口7bから取り出され、上記放熱器2の給湯用水流路2bで加熱された後、貯湯タンク7上側の温水入口7cに戻す回路となっている。なお、ウォーターポンプ6は、後述する制御部20によって稼働およびその循環量(回転数)が制御されるようになっている。
次に、給湯回路Kは、水道からの水が貯湯タンク7下側の冷水入口7aから貯湯タンク7内に給水されるとともに、貯湯タンク7上側の温水出口7dからユーザーが使う給湯部へ湯を給湯する回路である。なお、給湯回路Kには、水道からの水と温水出口7dから高温水とを混合させて給湯する湯温をユーザーが所望する温度に調節するための温度調節弁8が設けられている。
また、給湯回路Kには、沸き上げ回路Wで加熱された湯を直接給湯部へ供給するためのバイパス流路Bが設けられている。図1中の9Aは、沸き上げ回路Wで加熱された湯を貯湯タンク7に貯湯するか、バイパス流路Bに流すかを切り換える第1水路切り替え弁である。また9Bは、温度調節弁8に供給する湯を、温水出口7dからの高温水にするか、バイパス流路Bからの湯にするかを切り換える第2水路切り替え弁である。尚、温度調節弁8での調節温度、および第1・第2水路切り替え弁9A・9Bによる流路切換方向は、後述する制御部20によって制御されるようになっている。
次に、上記したヒートポンプ式給湯装置の各部に配置されたセンサー類ついて説明する。11は、放熱器2から流出する冷媒温度を検出する出口冷媒温度センサーであり、12は、放熱器2の入口側、もしくは出口側に設定され、高圧側の冷媒圧力を検出する圧力センサーである。
13は蒸発器4入口の冷媒温度センサーであり、14は蒸発器4出口の冷媒温度センサーである。また15は、雰囲気空気温度を検出する外気温度センサーである。また、16は放熱器2に流入する入口水温を検出する水温センサーであり、17は加熱された給湯用水の湯温を検出する沸上温度センサーである。これらのセンサー群で検出された信号は全て後述する制御部20に入力され、要求される加熱能力に対応した圧縮機1の回転数の算出などに使用される。
制御手段としての制御部20は、ユーザーが設定して図示しないリモコンから入力される設定温度(例えば42℃)信号や上記各センサー11〜18からの信号に基づき、圧縮機1(実質的には駆動源である電動モータ)、膨張弁3、外気ファン4a、ウォーターポンプ6、温度調節弁8および第1・第2水路切り替え弁9A・9Bなどを通電制御する。
次に、上記構成における本給湯装置の作動について説明する。本給湯装置においては、電力料金の安価な深夜時間帯(当日の23時から翌日の7時の間)に、貯湯タンク7内へ高温の湯を沸き上げる圧縮機低回転での低加熱能力運転(例えば、深夜電力時間8時間内に加熱能力5kW運転)の貯湯運転(深夜電力運転)が行われる。
即ち、制御部20によって、貯湯タンク7に配置された水位サーミスタ18の温度信号から、貯湯タンク7内の残湯量(高温の湯の残り量)が把握され、貯湯タンク7の全容量から残湯量を差し引いた分の沸き上げ量が算出され、貯湯タンク7内が高温の湯で満たされるように、ヒートポンプサイクルRおよび沸き上げ回路Wが作動される。
具体的には、制御部20によって圧縮機1が駆動され、ヒートポンプサイクルR内の冷媒が循環される。また、外気ファン4aが駆動されることで蒸発器4に外気が供給され、外気からの吸熱が行われる。そして、放熱器2での放熱によって、沸き上げ温度センサー17で得られる湯の温度が目標温度(例えば90℃)となるように、沸き上げ回路Wのウォーターポンプ6の作動回転数が制御される。これによって、貯湯タンク7内の水は下側から流出し、放熱器2で加熱され、貯湯タンク7の上側に戻され、貯湯タンク7内が高温の湯で満たされてゆく。
このとき、放熱器2での湯の沸き上げが最適効率となるように、水側の温度(例えば水温センサー16で得られる給水温度)に応じて、放熱器2の冷媒側の温度が所定温度となるように、即ち、冷媒温度は圧力と相関するため圧力センサー12で得られる高圧側冷媒圧力が所定圧力となるように膨張弁3の弁開度が調節される。
また、第1水路切り替え弁9Aは、沸き上げ回路Wで加熱された湯を貯湯タンク7に貯湯するよう、放熱器2の給湯用水流路2bの下流側が貯湯タンク7の温水入口7c側に連通するよう切り換えている。また、第2水路切り替え弁9Bは、温水出口7dからの高温水を温度調節弁8へ供給するように切り換えられており、バイパス流路Bは使われない。
沸き上げ温度については、沸き上げ温度センサー17にて湯温を検出し、ウォーターポンプ6にて給湯用水の循環流量を調整して温度コントロールを行うようになっている。そして、貯湯タンク7内が全て温水となって、貯湯タンク7下側の冷水出口7bから取り出される給水温度が高くなったことを水温センサー16で検出したら、冷媒および給湯用水の循環を停止させる。
そして、ユーザーが給湯部を使用すると、貯湯タンク7内の高温水と水道からの水とを温度調節弁8で混合し、制御部20によってユーザーが設定した温度(例えば42℃)となるよう温度調節弁8での混合割合が調節されながら給湯される。しかしながら、ユーザーの給湯部の使用に伴い、水位サーミスタ18によって得られる貯湯タンク7内での高温の湯の量(水位)が例えば150Lといった所定量(所定水位)以下となった場合などで熱量不足が生じた場合、沸き上げ回路Wで沸き上げた湯を直接給湯回路Kに供給して給湯する瞬間給湯運転が行われる。
瞬間給湯運転時、第1水路切り替え弁9Aは、沸き上げ回路Wで加熱された湯を給湯回路Kに供給できるよう、放熱器2の給湯用水流路2bの下流側をバイパス流路B側に連通するよう切り換えられる。また、第2水路切り替え弁9Bも、バイパス流路Bからの湯を温度調節弁8へ供給するように切り換えられ、貯湯タンク7をバイパスさせる。
沸き上げ回路Wでは、ユーザーが要求する湯温と同じ低温沸き上げ温度(例えば沸き上げ温度40℃)の圧縮機高回転での高加熱能力運転(例えば、給湯端末出湯流量を満足する加熱能力10kW運転)を行わせ、大能力・大流量出湯とする。そして、沸上温度センサー17にて放熱器2で加熱された湯温を検知し、ウォーターポンプ6の流量コントロールを行い、上記沸き上げ温度に制御するものである。
上述したように、運転モードとしては、高温沸き上げ低能力運転と低温沸き上げ大能力運転とがある。しかしながら、従来はこの2つの運転モードが連続的に変更される場合、沸き上げ温度と加熱能力との設定値変更により、ウォーターポンプ6と圧縮機1とが同時に変更されるため、サイクル状態が不安定となり、ハンチング現象やオーバーシュートによる機器異常停止が生じるおそれがあった。
例えば、沸き上げ温度が異常高温となり、放熱器2を含む水配管内部に局部沸騰が発生し、エアー噛みによる水流量の極端な低下(≒0L/min)となった場合、高圧圧力が急上昇し、機器の設計圧力(例えば14MPa)を超過すると、圧縮機1などサイクル部品の耐久性の低下、もしくは機器の故障が発生してしまう。また、圧力センサー12により事前に異常高圧を検知することで機器を停止させる保護制御があるが、運転を停止してしまうこととなり、湯切れによって湯が得られないという市場クレームが発生するおそれがある。
そこで次に、本発明における貯湯運転から瞬間給湯運転への変更時の本給湯装置の作動について説明する。図2は、図1のヒートポンプ式給湯装置における運転切り替え時の制御の流れを示すフローチャートであり、図3は、図2の運転切り替え制御における本給湯装置の作動状態を示すタイムチャートである。
まず、ステップS1では貯湯運転を行っており、ステップS2で瞬間給湯開始の指令が有るか否かの判定を行う。その判定結果がNOで、瞬間給湯運転開始の指令がない間はステップS1での貯湯運転を続行し、ステップS2での判定結果がYESで瞬間給湯運転開始の指令が入った場合にステップS3へと進む。
ステップS3では、ユーザーが要求する湯温と同じ低温沸き上げ温度(図3の例では沸き上げ温度45℃)となるよう、ウォーターポンプ6の回転数を変更(より具体的には増速)させることで水循環量を変更する(図3中の水循環量制御)。そしてステップS4で瞬間用沸上温度に到達したか否かの判定を行う。
その判定結果がNOで、瞬間用沸上温度に到達していない間は到達するまでステップS3でのウォーターポンプ6の回転数の変更を続行し、ステップS4での判定結果がYESで瞬間用沸上温度に到達した場合にステップS5へと進む。なお、図3に示すように、瞬間用沸上温度に到達した時点で湯量は充分ではないがユーザーへの出湯を開始する。
ステップS5では、設定値に応じた加熱能力となるよう圧縮機1の回転数を変更(より具体的には増速)させる。実際にはこれと同時に、圧縮機1の回転数が上がって加熱能力が上がった分だけ瞬間用沸上温度が上がってしまわぬようウォーターポンプ6の回転数も変更(より具体的には増速)させる(図3中の圧縮機増速+水循環量制御)。
そしてステップS6で瞬間用加熱能力に到達したか否かの判定を行う。その判定結果がNOで、瞬間用加熱能力に到達していない間は到達するまでステップS5での圧縮機1の回転数の変更を続行し、ステップS6での判定結果がYESで瞬間用加熱能力に到達した場合にステップS7へと進む。
ステップS7では、瞬間給湯運転終了の指令が有るか否かの判定を行う。その判定結果がNOで、瞬間給湯終了の指令がない間はステップS6までの瞬間給湯運転状態を続行し、ステップS7での判定結果がYESで瞬間給湯終了の指令が入った場合に通常の制御(例えば貯湯運転)へと戻る。
このような運転切り替え制御における本給湯装置の作動状態を、図3のタイムチャートで説明する。図3の例では、通常制御として圧縮機回転数3000rpmで加熱能力を5kwとし、ウォーターポンプ6での水流量を1L/minとして沸き上げ温度90℃にて貯湯運転を行っている。その状態から瞬間給湯運転に切り換えた場合、まずウォーターポンプ6を増速させて水流量を増やし、沸き上げ温度を瞬間用の沸上温度45℃に下げてユーザーへの出湯を開始している。
その後、圧縮機回転数を所定の6000rpmまで増速して瞬間用の加熱能力10kwまで上げるとともに、瞬間用の沸上温度45℃を保つために回転数6での水流量も5L/minまで上げて瞬間給湯運転を行っている。これにより、貯湯運転中に瞬間給湯運転へ運転モードが切り替るような出湯が行われた場合にも、ヒートポンプサイクルRの変動を抑制してハンチングやオーバーシュートなく安定的にモード切替が行われるため、システムの信頼性を向上でき、ユーザーの瞬間給湯使用時のフィーリングを向上させることができる。
またウォーターポンプ6から制御を行い、設定値に応じた沸き上げ温度に変更させた後に、設定値に応じた加熱能力に変更させるため、瞬間給湯時にも要求された出湯温度が即座に得られ、ユーザーの使い勝手が向上する。なお、上述した本発明の制御は、運転モードの連続的な切り替え時のみならず、停止状態からの起動運転に用いても、制御変動が少なく有効である。
次に、本実施形態での特徴と、その効果についてまとめる。まず、圧縮機1、放熱器2、膨張弁3、蒸発器4によって形成されるヒートポンプサイクルRを有し、蒸発器4にて外気から吸熱し放熱器2からの放熱によって給湯用水を加熱して湯とするヒートポンプユニット部10Aと、ヒートポンプユニット部10Aで加熱された湯を貯湯タンク7内に貯めると共に、給湯用として直接的あるいは間接的にユーザーの使用する給湯側へ出湯するタンクユニット部10Bとを有し、ヒートポンプユニット部10Aによって沸き上げた湯を貯湯タンク7内に貯める貯湯運転と、ヒートポンプユニット部10Aによって沸き上げた湯を直接給湯側へ出湯する瞬間給湯運転とを行うヒートポンプ式給湯装置において、
貯湯運転から瞬間給湯運転への運転切り替えを行う際、所定の設定値に応じた沸き上げ温度に変更した後、所定の設定値に応じた加熱能力に変更するようにしている。
貯湯運転から瞬間給湯運転への運転切り替えを行う際、所定の設定値に応じた沸き上げ温度に変更した後、所定の設定値に応じた加熱能力に変更するようにしている。
これによれば、ヒートポンプユニット部10Aの運転中に貯湯運転から瞬間給湯運転へ運転モードが切り替って沸き上げ温度の設定値が変更された場合、先ず瞬間給湯運転での低温水の湯温を確保した後、その湯温にて大能力で給湯するための給湯能力を確保する制御となるため、湯温のハンチングやサイクルのハンチングが発生するのを防ぐことができる。このように、沸き上げ温度の設定値が変更された場合、湯温の変更をした後に加熱能力の変更を順に行うことで、サイクルの性能と安定性とを確保するヒートポンプ式給湯装置とすることができる。
また、沸き上げ温度の変更は、放熱器2へ給湯用水を流通させるウォーターポンプ6での流量を可変することによって行うようにしている。また、加熱能力の変更は、圧縮機1での冷媒吐出量を可変することによって行うようにしている。これらによれば、沸き上げ温度はウォーターポンプ6の回転数のコントロール、加熱能力は圧縮機1の回転数のコントロールでそれぞれ個別に制御することにより、制御手段が容易となる。
また、ヒートポンプサイクルRは、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界サイクルとしている。これによれば、超臨界サイクルは、貯湯時に利用される高温沸き上げ温度(例えば90℃)と、瞬間給湯時に利用される低温沸き上げ温度(例えば45℃)と、幅広い利用温度帯に対応することが可能となる。また、ヒートポンプサイクルRに使用する冷媒は、二酸化炭素(CO2)冷媒としている。これによれば、具体的に使用する冷媒として、二酸化炭素(CO2)冷媒が実施容易である。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態(請求項4に対応)について添付した図4〜6を用いて説明する。図4は、本発明の第2実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の全体構成を示す模式図であり、図5は、図4中の可変式エジェクタ30の断面模式図である。そして図6は、図4のヒートポンプ式給湯装置における運転切り替え時の制御の流れを示すフローチャートである。
次に、本発明の第2実施形態(請求項4に対応)について添付した図4〜6を用いて説明する。図4は、本発明の第2実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の全体構成を示す模式図であり、図5は、図4中の可変式エジェクタ30の断面模式図である。そして図6は、図4のヒートポンプ式給湯装置における運転切り替え時の制御の流れを示すフローチャートである。
まず、図1で示した上述の第1実施形態と、図4に示す本実施形態との異なる構成部分を説明する。本実施形態では、減圧手段として可変式エジェクタ(以下、エジェクタと略す)30を用いている。
このエジェクタ30は、図5に示すように、放熱器2から流入する液相冷媒の通路面積を小さく絞って冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部30a、ノズル部30aの冷媒噴出口と連通するように配置されて蒸発器4から冷媒を吸引する冷媒吸引口30b、ノズル部30aおよび冷媒吸引口30bの下流側に配置されてノズル部30aからの高速度の冷媒流と冷媒吸引口30bからの吸引冷媒とを混合する混合部30c、および混合部30cの下流側に配置されて冷媒流れを減速して冷媒圧力を上昇させる昇圧部を成すディフューザ部30dを有している。
さらに、エジェクタ30にはノズル部30aの冷媒通路面積を可変制御する通路面積調整機構30eが設けられている。具体的に通路面積調整機構30eは、ノズル部30a内の通路長手方向に移動可能に配置されたニードル30fと、ニードル30fを移動させる駆動部30gとから成っている。このニードル30fの先端形状は細長く尖った形状になっており、ニードル30fの根本部は駆動部30gに連結され、この駆動部30gの操作力にてニードル30fがノズル部30aの通路に沿って移動する。
そして、ニードル30fの外周面とノズル部30aの最小通路部との間に形成される冷媒通路面積を変更するようになっている。なお、駆動部30gとしては、ステッピングモータのようなモータアクチュエータ、あるいは電磁ソレノイド機構などであり、電気的に制御可能な駆動手段であれば他の駆動機構であっても良い。そして、通路面積調整機構30eの駆動部30gは、前述した制御部20の制御信号によって制御される。なお、ディフューザ部30dの下流側はアキュームレータ5に接続されている。減圧手段としては、このようなエジェクタ30を用いても良い。
次に、図2で示した前述のフローチャートと、図6に示す本実施形態でのフローチャートとは、ステップS5「圧縮機回転数変更」の部分を、ステップS50として「減圧手段の絞り開度変更」に変えたことのみが異なる。このように、本実施形態では加熱能力の変更を、減圧手段としてのエジェクタ30での絞り開度を変更して冷媒流量を可変することによって行っている。
これによれば、沸き上げ温度はウォーターポンプ6の回転数のコントロール、加熱能力はエジェクタ30の絞り開度のコントロールでそれぞれ個別に制御することにより、制御手段が容易となる。また、減圧手段にて加熱能力を変更するため、圧縮機回転数を増速させることによる騒音の上昇を抑制することができる。また、給湯装置全体としても第1実施形態と同様の効果を得ることができる。もちろん、減圧手段としては第1実施形態で示した可変式膨張弁3を用いて、その絞り開度をコントロールする方法であっても良い。
(その他の実施形態)
上述の各実施形態では、水循環量可変手段としてウォーターポンプを用いてその回転数を可変することによって水循環量を可変しているが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、水循環量可変手段として流量調節弁を用いてその弁開度を可変することによって水循環量を可変するものであっても良いし、それ以外の水循環量可変手段であっても良い。
上述の各実施形態では、水循環量可変手段としてウォーターポンプを用いてその回転数を可変することによって水循環量を可変しているが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、水循環量可変手段として流量調節弁を用いてその弁開度を可変することによって水循環量を可変するものであっても良いし、それ以外の水循環量可変手段であっても良い。
1…圧縮機
2…放熱器(高圧側熱交換器)
3…可変式膨張弁(減圧手段)
4…蒸発器(低圧側熱交換器)
6…ウォーターポンプ(水循環量可変手段)
7…貯湯タンク(タンク)
10A…ヒートポンプユニット部
10B…タンクユニット部
30…可変式エジェクタ(減圧手段)
R…ヒートポンプサイクル
2…放熱器(高圧側熱交換器)
3…可変式膨張弁(減圧手段)
4…蒸発器(低圧側熱交換器)
6…ウォーターポンプ(水循環量可変手段)
7…貯湯タンク(タンク)
10A…ヒートポンプユニット部
10B…タンクユニット部
30…可変式エジェクタ(減圧手段)
R…ヒートポンプサイクル
Claims (6)
- 圧縮機(1)、高圧側熱交換器(2)、減圧手段(3、30)、低圧側熱交換器(4)によって形成されるヒートポンプサイクル(R)を有し、前記低圧側熱交換器(4)にて外気から吸熱し前記高圧側熱交換器(2)からの放熱によって給湯用水を加熱して湯とするヒートポンプユニット部(10A)と、
前記ヒートポンプユニット部(10A)で加熱された湯をタンク(7)内に貯めると共に、給湯用として直接的あるいは間接的にユーザーの使用する給湯側へ出湯するタンクユニット部(10B)とを有し、
前記ヒートポンプユニット部(10A)によって沸き上げた湯を前記タンク(7)内に貯める貯湯運転と、
前記ヒートポンプユニット部(10A)によって沸き上げた湯を直接給湯側へ出湯する瞬間給湯運転とを行うヒートポンプ式給湯装置において、
前記貯湯運転から前記瞬間給湯運転への運転切り替えを行う際、所定の設定値に応じた沸き上げ温度に変更した後、所定の設定値に応じた加熱能力に変更することを特徴としたヒートポンプ式給湯装置。 - 前記沸き上げ温度の変更は、前記高圧側熱交換器(2)へ給湯用水を流通させる水循環量可変手段(6)での流量を可変することによって行うことを特徴とした請求項1に記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記加熱能力の変更は、前記圧縮機(1)での冷媒吐出量を可変することによって行うことを特徴とした請求項1または請求項2に記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記加熱能力の変更は、前記減圧手段(3、30)での冷媒流量を可変することによって行うことを特徴とした請求項1または請求項2に記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記ヒートポンプサイクル(R)は、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界サイクルであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のうちいずれか1項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
- 前記ヒートポンプサイクル(R)に使用する冷媒は、二酸化炭素(CO2)冷媒であることを特徴とする請求項5に記載のヒートポンプ式給湯装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009103365A (ja) * | 2007-10-23 | 2009-05-14 | Toshiba Carrier Corp | ヒートポンプ給湯システム |
JP2011247507A (ja) * | 2010-05-27 | 2011-12-08 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | コジェネレーションシステムおよび熱回収制御方法 |
JP2015206531A (ja) * | 2014-04-21 | 2015-11-19 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | ヒートポンプ給湯機 |
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-
2005
- 2005-10-24 JP JP2005308914A patent/JP2007113896A/ja not_active Withdrawn
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