JP6304996B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

この発明は、ヒートポンプを利用して流体を加熱する給湯装置に関するものである。

従来の給湯装置において、給湯装置の熱源としてヒートポンプ（冷凍サイクル）を利用して、水回路等を循環する水等の流体（以下、水を代表として説明する）を加熱する、ヒートポンプ装置を有する給湯装置が知られている。

このような給湯装置では、例えば、圧縮機の能力を変更可能に制御する能力制御部と、給水ポンプの駆動により水回路を流れる水の流量（以下、給水ポンプの水流量という）を変更可能に制御する流量制御部とを有するものがある（例えば、特許文献１参照）。そして、例えば、冷媒と水とを熱交換する冷媒−水熱交換器の水流入口側の水温が所定温度以下であるときには、流量制御部は給水ポンプの水流量を固定させ、能力制御部が圧縮機の能力を可変させる制御を行う。一方、冷媒−水熱交換器の水流入口側の水温が所定温度を超えているときには、能力制御部は圧縮機の能力を固定させ、流量制御部がポンプの流量を可変させる制御を行う。

特開２００２−２２８２７６号公報（図１）

しかしながら、上記の引用文献１のような給湯装置のヒートポンプ装置にあっては、ヒートポンプに用いる冷媒によって同じ飽和圧力（凝縮圧力）で得られる飽和温度は違う。このため、所定の飽和温度を得るために飽和圧力を高くせざるを得ない冷媒の場合には、冷媒配管等の変更をすることがあった。

例えば、レジオネラ菌を殺菌する場合について考える。貯湯槽内のレジオネラ菌の繁殖を抑制するためには、出湯温度として６５℃を確保する。これは水温が５５℃未満では熱による殺菌効果が期待できないからである。ここで、給湯装置において、例えば６５℃の出湯温度を確保するため、ヒートポンプ装置にＲ４０７Ｃを冷媒として使用した場合とＲ４１０Ａを冷媒として使用した場合とを比較すると、Ｒ４１０Ａの方が凝縮圧力が高くなる。

上記の引用文献１の給湯装置では、冷媒−水熱交換器の水流入口側の水温に基づいて、圧縮機の能力又はポンプの流量の一方が固定制御される。このため、冷媒−水熱交換器の水流入口側の水温と水流出口側の水温とを同時に制御（連動して制御）することができず、冷媒の凝縮圧力上昇を制御することができなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、冷媒の凝縮圧力の上昇を抑えつつ、より高い温度で水を出湯させることができる給湯装置を得るものである。

この発明に係る給湯装置は、冷媒を圧縮する能力可変の圧縮機、冷媒と水との熱交換を行う冷媒−水熱交換器、開度調整による冷媒の減圧を行う減圧装置及び熱交換により冷媒を蒸発させる蒸発器を配管接続して冷媒回路を構成し、冷媒−水熱交換器を通過させる水の流れを形成する水流量可変の給水ポンプと、冷媒−水熱交換器に流入する水の水入口温度を検出する水入口温度検出手段と、冷媒−水熱交換器から流出する水の水出口温度を検出する水出口温度検出手段と、水入口温度があらかじめ定められた第１温度になったものと判断すると、圧縮機の能力を固定制御し、水出口温度があらかじめ定められた第２温度になるように給水ポンプの水流量を可変制御する制御装置とを備え、冷媒−水熱交換器は、冷媒の流れる方向と水の流れる方向とが対向して流れる熱交換器であり、制御装置は、水出口温度検出手段の検出に係る温度が第２温度になるように給水ポンプによる水流量の制御を行い、かつ、冷媒−水熱交換器から流出した水が循環して、冷媒−水熱交換器に流入する水入口温度が第１温度になるように圧縮機を制御して、冷媒−水熱交換器における凝縮温度を調整するものである。

この発明の給湯装置によれば、例えば現地における給湯負荷変動に対して、冷媒の凝縮圧力を変えることなく、より高い出湯温度にまで水を加熱でき、かつ、高い出湯温度を維持制御することができる。

この発明の実施の形態におけるヒートポンプ装置を有する貯湯システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態に係る制御系の装置の構成を示す図である。 貯湯槽からの給湯使用負荷が低下したときの、水温と圧縮機及び給水ポンプ能力との関係を示す概略図である。 この発明の実施の形態に係る冷媒−水熱交換器を流れる冷媒と水の温度変化を示すＴ−ｓ線図である。 この発明の実施の形態に係る制御装置１５による処理手順を示すフローチャートである。

実施の形態．
本実施の形態では、この発明に係る給湯装置の一例として貯湯槽を備えた給湯装置について説明する。ここで、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。また、図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。そして、温度、圧力等の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。

図１はこの発明の実施の形態におけるヒートポンプ装置を有する貯湯システムの構成を示す図である。図１において、冷媒の流れ方向を実線の矢印で示し、水の流れ方向を破線の矢印で示している。図１に示すように、本実施の形態の貯湯システムは、ヒートポンプ装置１と水回路６とを有している。そして、ヒートポンプ装置１と水回路６との間は、プレート式、二重管式等の冷媒−水熱交換器１２を介して熱の伝達が行われる。ここで、本実施の形態の冷媒−水熱交換器１２は、冷媒の流れる方向と水の流れる方向とが対向する対向流となるように対向流型の熱交換器であるものとする。

ヒートポンプ装置１は、圧縮機２、凝縮器３、減圧装置４及び蒸発器５を配管接続して冷媒を循環させるヒートポンプ回路（冷媒回路）を構成する。そして、凝縮器３において冷媒に放熱させて熱交換により水回路６を流れる水を加熱する熱源となる。

圧縮機２は、冷媒を吸入し、圧縮して吐出する。後述する能力制御手段１３による制御に基づいて、例えば駆動周波数を任意に変化させることにより容量（単位時間あたりの送り出し量）を変化させることができる。冷媒−水熱交換器１２の冷媒側流路は凝縮器（放熱器）３となる。凝縮器３は冷媒に放熱させ、冷媒−水熱交換器１２の水側流路となる水熱交換器９を流れる水を加熱する。例えば膨張弁等を有する減圧装置４は、冷媒回路を流れる冷媒を減圧する。蒸発器（冷却器）５は、例えば空気と冷媒とを熱交換させ、冷媒を蒸発させる。

水回路６は、給水ポンプ７、水熱交換器９及び貯湯槽１１を有している。給水ポンプ７は、水回路６内の水を加圧して循環させる。後述する水流量制御手段１４による制御に基づいて、例えば駆動周波数を任意に変化させることにより水回路６を流れる水の流量を変化させることができる。また、冷媒−水熱交換器１２の水側流路は水熱交換器９となる。水熱交換器９は、凝縮器３を流れる冷媒と水とを熱交換させる。熱交換により水は加熱され、冷媒は冷却される。貯湯槽１１は、加熱された水（湯）を溜める。また、水熱交換器９に流入出する水の温度（水温）を検出する温度センサである水入口温度検出手段８及び水出口温度検出手段１０を水回路６に取り付けている。

ここで、給湯装置の各構成機器の動作について説明する。まず、ヒートポンプ装置１側の各構成機器の動作等を、冷媒回路を循環する冷媒の流れに基づいて説明する。圧縮機２は、吸入した冷媒を圧縮して高温高圧の気相状態にして吐出する。冷媒は凝縮器３に流入する。吐出した冷媒は凝縮器３に流入する。凝縮器３においては、水熱交換器９（水回路６）を流れる水の熱交換により、冷媒を凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は減圧装置４を通過する。減圧装置４は凝縮液化した冷媒を減圧する。減圧した冷媒は、蒸発器５に流入する。蒸発器５は、例えば屋外の空気（外気）との熱交換により冷媒を蒸発、ガス化する。蒸発ガス化した冷媒を圧縮機２が吸入する。

次に水回路６側の各構成機器の動作等を、水の流れに基づいて説明する。給水ポンプ７が駆動し、水回路６において水の流れが発生する。貯湯槽１１に貯留された水は水熱交換器９に流入する。水熱交換器９に流入した水は、ヒートポンプ装置１の凝縮器３を通過する冷媒との熱交換により加熱される。加熱された水は、水熱交換器９から流出して貯湯槽１１に戻る。

図２はこの発明の実施の形態に係る制御系の装置の構成を示す図である。能力制御手段１３は、例えばインバータ回路等を有し、圧縮機２の能力（駆動周波数）を調整する。水流量制御手段１４は、例えばインバータ回路等を有し、給水ポンプ７の駆動回転数（駆動周波数）を調整し、給水ポンプの水流量を調整する。

また、本実施の形態では、給湯装置全体の制御を行う制御装置１５を有している。本実施の形態における制御装置１５には、水入口温度検出手段８が検出した水入口温度を含む信号が入力される。また、水出口温度検出手段１０が検出した水出口温度を含む信号が入力される。そして、圧縮機２の能力に係る指令の信号を能力制御手段１３に送る。また、給水ポンプ７の水流量（駆動回転数）に係る指令の信号を水流量制御手段１４に送る。

制御装置１５は、水入口温度検出手段８の検出に係る水入口温度があらかじめ定めた第１温度（例えば５５℃）未満であると判断すると、圧縮機２の能力を可変制御を行うように能力制御手段１３に指令の信号を送る。また、給水ポンプ７の水流量を固定制御し、水回路６を循環する水の流量を維持するように水流量制御手段１４に指令の信号を送り、水出口温度検出手段１０の検出に係る水出口温度が所定温度（例えば６０℃）となるように制御する。

そして、水入口温度検出手段８の検出に係る水入口温度が第１温度（例えば５５℃）になったものと判断した場合には、圧縮機２の能力を固定制御する指令の信号を能力制御手段１３に送る。また、給水ポンプ７の水流量を可変制御するように水流量制御手段１４に指令の信号を送ることにより、水出口温度検出手段１０の検出に係る水出口温度が第２温度（例えば６５℃）になるように制御する。

また、制御装置１５は、水入口温度検出手段８の検出に係る温度があらかじめ定めた第３温度（例えば５７℃）を超えたと判断すると、圧縮機２の能力を可変制御を行う指令を能力制御手段１３に送り、凝縮温度を下げるようにし、水入口温度検出手段８の検出に係る水入口温度を第１温度（例えば５５℃）となるように制御する。また、給水ポンプ７の水流量を可変制御するように水流量制御手段１４に指令を送って、水出口温度検出手段１０の検出に係る水出口温度が第２温度（例えば６５℃）になるように連動して制御する。ここで、第３温度は、第１温度と同じ温度であることが望ましいが、ここでは、制御の安定、温度誤差等を考慮して、第１温度よりも若干高い温度に設定する。

図３は貯湯槽からの給湯使用負荷が低下したときの、水温と圧縮機及び給水ポンプ能力との関係を示す概略図である。ここで、図３（ａ）は本実施の形態の給湯装置における関係を示す図である。図３（ｂ）は従来の給湯装置における関係を示す図である。

例えば、図３（ｂ）のような従来の給湯装置のように、圧縮機２と給水ポンプ７とにおける制御を別々に行う（連動して行わない）場合には、まず、水出口温度を定めた温度に保つために圧縮機２の能力を低下させる。そして、給湯使用負荷が低下し、圧縮機２の能力が最低に達した場合は、給水ポンプ７による流量を増加させるようにすることで水出口温度を一定の温度に維持するように制御していた。

しかし、この間、水入口温度は上昇することになる。さらに水入口温度が上昇することで凝縮器３を通過する冷媒の温度と水入口温度の温度差とが小さくなり、凝縮温度が上昇するとともに凝縮圧力が上昇する。

そこで、本実施の形態の給湯装置では、水入口温度が第１温度になるように圧縮機２の能力を低下させ、かつ水出口温度が第２温度になるように給水ポンプ７の流量を減少させる制御を連動して行うことで、凝縮温度を抑えつつ、水出口温度と水入口温度とをともに所望する温度に維持するとともに、凝縮器３を通過する冷媒の圧力上昇を抑制する。

図４はこの発明の実施の形態に係る冷媒−水熱交換器を流れる冷媒と水の温度変化を示すＴ−ｓ線図である。制御装置１５は、水入口温度検出手段８の検出に係る水入口温度が第１温度（例えば５５℃）に達したとき、圧縮機２の能力を固定するように能力制御手段１３に指令の信号を送る。また、給水ポンプ７の水流量を減少させるように水流量制御手段１４に指令の信号を送って水流量を減少させる。熱交換の時間を長くし、水熱交換器９を通過する水を、冷媒の過熱蒸気域まで熱交換させることで、凝縮器３における冷媒の凝縮温度を上げることなく（冷媒の圧力を上げることなく）、水出口温度検出手段１０の検出に係る水出口温度を第２温度（例えば６５℃）に昇温させるようにする。

図５はこの発明の実施の形態に係る制御装置１５による処理手順を示すフローチャートである。図４に基づいて、本実施の形態の給湯装置における動作について説明する。まず、ステップＳ１において、圧縮機２及び給水ポンプ７を駆動させて、給湯装置の運転を開始する（ステップＳ１）。そして、ステップＳ２で、水流量制御手段１４に指令の信号を送り、あらかじめ定められた水流量により、給水ポンプ７の水流量を固定制御する（ステップＳ２）。このとき、水回路６を流れる流量（水熱交換器９に流入出する水の流量）も一定になる。また、ステップＳ３において、能力制御手段１３に指令の信号を送り、水出口温度検出手段１０の検出に係る水出口温度が所定温度（例えば６０℃）で一定になるように圧縮機２の能力（駆動）を可変制御する（ステップＳ３）。

次に、ステップＳ４では、水入口温度検出手段８の検出に係る水入口温度が、第１温度（例えば５５℃）未満であるか否かを判定する（ステップＳ４）。第１温度未満であると判定すると、ステップＳ３に戻り、第１温度以上と判定するまで同様の制御処理を続ける。

一方、ステップＳ４において、水入口温度検出手段８の検出に係る水入口温度が第１温度以上であると判定すると、ステップＳ５において、能力制御手段１３に指令の信号を送り、圧縮機２の能力を固定制御する（ステップＳ５）。また、ステップＳ６で水出口温度検出手段１０の検出に係る水出口温度が第２温度（例えば６５℃）で一定となるように、水流量制御手段１４に指令の信号を送って給水ポンプ７の水流量を可変制御し、水回路６を流れる流量を制御する（ステップＳ６）。

ステップＳ６で給水ポンプ７の流量可変制御を行っているとき、ステップＳ７において、水入口温度検出手段８の水入口温度が第３温度（例えば５７℃）を超えたか否かを判定する（ステップＳ７）。第３温度を超えていないと判定すると、ステップＳ６に戻り、水出口温度が第２温度で一定となるように給水ポンプ７の水流量を可変制御する。

例えば、給湯使用負荷が低下し、貯湯槽１１内に貯留する水（湯）の温度が上昇した場合を想定する。第３温度を超えたものと判定すると、ステップＳ８において、能力制御手段１３に指令の信号を送り、水入口温度検出手段８の検出に係る水入口温度が第１温度（例えば５５℃）で一定になるように、圧縮機２の能力の可変制御を行う（ステップＳ８）。このとき、給水ポンプ７においては、水出口温度検出手段１０の検出に係る水出口温度が第２温度（例えば６５℃）で一定とする可変制御を続ける。

次に、ステップＳ９では、水入口温度検出手段８の検出に係る水入口温度が、第１温度（例えば５５℃）未満であるか否かを判定する（ステップＳ９）。第１温度未満でないと判定すると、ステップＳ６に戻り、第１温度未満と判定するまで同様の制御処理を続ける。

一方、ステップＳ９において、水入口温度検出手段８の検出に係る水入口温度が第１温度未満になったものと判定すると、ステップＳ４に戻って、能力制御手段１３に圧縮機２の能力を固定制御する指令の信号を送り、制御処理を続ける。

以上のように、本実施の形態の給湯装置によれば、給水ポンプ７の流量を制御することにより、水熱交換器９から流出する水の温度を、凝縮器３に流入する冷媒の過熱蒸気温度近傍にまで昇温することができる。このとき、水入口温度が上がれば、圧縮機２を可変制御にして凝縮温度を下げる等、圧縮機２と給水ポンプ７を連動して制御することにより、水熱交換器９に流入する水の温度と流出する水の温度とをともに制御することができる。

１ ヒートポンプ装置、２ 圧縮機、３ 凝縮器、４ 減圧装置、５ 蒸発器、６ 水回路、７ 給水ポンプ、８ 水入口温度検出手段、９ 水熱交換器、１０ 水出口温度検出手段、１１ 貯湯槽、１２ 冷媒−水熱交換器、１３ 能力制御手段、１４ 水流量制御手段、１５ 制御装置。

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する能力可変の圧縮機、前記冷媒と水との熱交換を行う冷媒−水熱交換器、開度調整による前記冷媒の減圧を行う減圧装置及び熱交換により前記冷媒を蒸発させる蒸発器を配管接続して冷媒回路を構成し、
   前記冷媒−水熱交換器を通過させる水の流れを形成する水流量可変の給水ポンプと、
   前記冷媒−水熱交換器に流入する前記水の水入口温度を検出する水入口温度検出手段と、
   前記冷媒−水熱交換器から流出する前記水の水出口温度を検出する水出口温度検出手段と、
   前記水入口温度があらかじめ定められた第１温度になったものと判断すると、前記圧縮機の能力を固定制御し、前記水出口温度があらかじめ定められた第２温度になるように前記給水ポンプの水流量を可変制御する制御装置とを備え、
   前記冷媒−水熱交換器は、前記冷媒の流れる方向と前記水の流れる方向とが対向して流れる熱交換器であり、
   前記制御装置は、水出口温度検出手段の検出に係る温度が前記第２温度になるように前記給水ポンプによる水流量の制御を行い、かつ、前記冷媒−水熱交換器から流出した前記水が循環して、前記冷媒−水熱交換器に流入する前記水入口温度が前記第１温度になるように前記圧縮機を制御して、前記冷媒−水熱交換器における凝縮温度を調整することを特徴とする給湯装置。
2. 前記制御装置は、
   前記水入口温度検出手段の検出に係る温度が、前記第１温度以上に設定した第３温度を超えたものと判断すると、前記圧縮機の能力を小さくする制御を行い、前記水出口温度が前記第２温度となるように前記給水ポンプによる水流量の可変制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記制御装置は、前記水出口温度検出手段の検出に係る温度が前記第２温度になるように前記給水ポンプによる水流量の可変制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の給湯装置。
4. 前記制御装置は、運転を開始してから前記水入口温度が前記第１温度になったものと判断するまでは、前記給水ポンプを固定制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の給湯装置。

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