以下、本発明の一実施形態を図1~図11に基づいて説明する。
本実施形態の冷暖房機能付きヒートポンプ給湯機1(冷房排熱貯湯装置に相当)全体の回路構成を図1に示す。
図1において、本実施形態のヒートポンプ給湯機1は、貯湯タンク2を備えた貯湯ユニット100と、エアコン室外機としての室外機ユニット300と、エアコン室内機としての室内機ユニット200と、熱交換ユニット400と、ヒートポンプユニット500と、を有している。
前記熱交換ユニット400は、冷媒を流通させる冷媒側の流路15bと水側の流路15aとを有し、高温高圧の冷媒と貯湯タンク2内の湯水とを熱交換する水冷媒熱交換器15と、沸上ポンプ19(循環ポンプに相当)と、を備えている。すなわち、前記水冷媒熱交換器15の前記水側の流路15aと前記貯湯タンク2とが湯水配管としての加熱往き管5及び加熱戻り管6によって環状に接続され、前記貯湯ユニット100及び熱交換ユニット400内で湯水循環回路としての加熱循環回路4が形成されている。
加熱往き管5は、配管5a、配管5bを備えており、前記配管5bは前記貯湯タンク2の下部に接続されている。
加熱戻り管6は、配管6a、配管6b、配管6c、配管6d(戻し管に相当)、配管6eを備えており、配管6b,6cは、三方弁10Cを介し、配管6aから分岐して接続されている。前記配管6bは前記貯湯タンク2の上部に接続され、前記配管6d,6eが、三方弁10Dを介し、前記配管6cから分岐して接続されている。配管6dは、前記貯湯タンク2の高さ方向中間部に接続されており、配管6eは、前記貯湯タンク2の下部に接続されて貯湯タンク2に水を給水する給水管7に接続されている。給水管7からは給水バイパス管9が分岐して設けられている。
前記沸上ポンプ19は、前記配管5aの途中に設けられ、前記水側の流路15aを介し前記加熱往き管5からの湯水を前記加熱戻り管6へ流通させつつ、貯湯タンク2の湯水を循環させる。なお、前記加熱往き管5には、前記水冷媒熱交換器15の前記水側の流路15aに流入する入水温度T1(湯水の入口温度)を検出する入水温度センサ23が設けられ、前記加熱戻り管6には、前記水側の流路15aから前記貯湯タンク2に向かって流出する沸上温度Tb(実沸上温度に相当)を検出する沸上温度センサ24(沸上温度検出手段に相当)が設けられている。
また、前記加熱往き管5の配管5aに設けた後述の三方弁10Fと沸上ポンプ19との間に、当該沸上ポンプ19による実際のポンプ流量を検出(決定)する流量センサ28(流量決定手段に相当)が設けられている。なお、この流量センサ28に代えて沸上ポンプ19自体に備えられた回転数センサ(この場合の流量決定手段に相当)が検出する回転数に基づきポンプ流量を検出(決定)するようにしても良い。
前記貯湯タンク2の上部にはまた、貯湯されている湯水を出湯する出湯管8が接続されており、出湯管は、配管8a、配管8b、配管8c、配管8dを備えている。前記配管8aは、前記貯湯タンク2の上部に接続されており、貯湯タンク2内の上部付近にある、相対的に高温の湯水(以下適宜、単に「高温水」という)を取り出して混合弁10Bへと導く。前記配管8dは、前記貯湯タンク2の高さ方向中間部に接続され、貯湯タンク2内のうち上下方向中間部にある、相対的に高温でも低温でもない中温域の湯水(以下適宜、単に「中温水」という)を取り出す。この配管8dに対し、前記配管8bの貯湯タンク2側が分岐点Bを介し接続されている。この配管8bの反貯湯タンク2側は前記混合弁10Bに接続されている。すなわち、配管8a及び配管8bは、混合弁10Bを介し配管8cへと合流するように接続されている。前記混合弁10Bは、配管8aからの高温水と配管8d及び配管8bからの中温水を所望の割合で混合し、配管8cへと導出する。
このとき、前記したように、前記分岐点Bに前記配管6dの貯湯タンク2側が接続されている。これにより、前記水冷媒熱交換器15の前記水側の流路15aから、前記配管6a、配管6cを介し前記配管6dに導入された湯水は、前記配管8dを介して貯湯タンク2内へと戻される。なお、配管6dは、配管8dに接続されることなく配管8dとは別個独立して貯湯タンク2の高さ方向中間部に接続されていても良い。
なお、配管8cと前記給水バイパス管9とは、混合弁10Aを介し出湯管11へ合流するように接続されている。出湯管11には、混合弁10Aで混合後の給湯温度を検出する給湯温度センサ37が設けられている。混合弁10Aは、給湯温度センサ37の検出結果に基づき、前記配管8cからの湯水と前記給水バイパス管9からの水とを混合して給湯設定温度の湯とする。
なお、貯湯タンク2の側面には、貯湯タンク2内の湯水の温度(貯湯温度)をそれぞれ検出し前記湯水の加熱状況(言い替えれば貯湯状況)を検知するための貯湯温度センサ12が上下にわたり複数設けられている。
一方、前記水冷媒熱交換器15において前記貯湯タンク2内の湯水と熱交換(詳細は後述)可能な冷媒循環回路30(後述の冷媒配管18、冷媒配管25、冷媒配管26を含む)が、前記熱交換ユニット400、前記室外機ユニット300、及び前記室内機ユニット200にわたって設けられている。
すなわち、前記室外機ユニット300においては、冷媒を圧縮する圧縮機14と、四方弁31と、前記冷媒と外気との熱交換により凝縮器又は蒸発器として選択的に機能(詳細は後述)するヒートポンプ熱交換器としての室外熱交換器17とが、前記冷媒配管18によって接続されている。なお、室外熱交換器17には、前記室外熱交換器17に外気を通じるための室外ファン67が設けられている。
詳細には、前記冷媒配管18は、圧縮機14の吐出側となる配管部18aと、前記圧縮機14の吸入側となる配管部18cと、暖房運転時において前記四方弁31を介し前記配管部18aに接続される配管部18bとを含んでいる。また前記冷媒配管18は、前記暖房運転時における前記室外熱交換器17の圧縮機14側を前記四方弁31を介し前記配管部18cに接続する配管部18d,18eと、前記室外熱交換器17の反圧縮機14側に接続される配管部18fと、を含んでいる。前記配管部18eは、二方弁122を備えており、前記配管部18fは、第1開閉弁としての全閉機能付きの膨張弁113を備えている。
前記四方弁31は4つのポートを備える弁であり、前記冷媒配管18のうち(冷媒主経路を構成する)前記配管部18b,18d用の2つのポートのそれぞれに対して、残りの前記配管部18a,18c用の2つのポートのいずれを連通するかを切り替える。前記配管部18a,18c用の2つのポートどうしは、ループ状に配置された前記配管部18a,18cからなる冷媒副経路によって接続されており、この冷媒副経路上に前記圧縮機14が設けられている。例えば四方弁31は、暖房側へ切り替えられた場合は、前記圧縮機14の吐出側である前記配管部18aを後述の室内熱交換器27の入口側である前記配管部18bに連通させ、冷房側へ切り替えられた場合は、前記配管部18aを前記室外熱交換器17側である前記配管部18d,18eに連通させる。
一方、前記熱交換ユニット400においては、前記冷媒の流路となる冷媒配管25が備えられており、前記水冷媒熱交換器15の前記冷媒側の流路15bが、前記冷媒配管25に接続されている。
詳細には、前記冷媒配管25は、前記配管部18dと前記水冷媒熱交換器15(詳細には前記冷媒側の流路15b)の一方側とを接続する配管部25aと、前記水冷媒熱交換器15(詳細には前記冷媒側の流路15b)のうち前記配管部25aの反対側である他方側と前記配管部18fとを接続する配管部25bと、を含んでいる。前記配管部25aは、前記四方弁31と前記水冷媒熱交換器15の前記一方側とを開閉可能な第2開閉弁としての二方弁121を備えており、前記配管部25bは全閉機能付きの膨張弁111を備えている。
一方、前記室内機ユニット200においては、前記冷媒の流路となる冷媒配管26が備えられており、前記冷媒と室内空気との熱交換により凝縮器又は蒸発器として選択的に機能(詳細は後述)する室内熱交換器27が前記冷媒配管26に接続されている。なお、室内熱交換器27には、前記室内熱交換器27に室内空気を通じるための室内ファン77が設けられている。
詳細には、前記冷媒配管26は、前記配管部18bに連通して設けられ、前記室内熱交換器27のうち暖房運転時等における入口側に接続される配管部26aと、前記室内熱交換器27の暖房運転時等における出口側を前記配管部18fに接続する配管部26bと、を含んでいる。
また、前記ヒートポンプユニット500は、冷媒を流通させる冷媒側の流路115bと水側の流路115aとを有し、高温高圧の冷媒と貯湯タンク2内の湯水とを熱交換可能な水冷媒熱交換器115と、沸上ポンプ119と、を備えている。すなわち、前記加熱往き管5の配管5aに設けた三方弁10Fから分岐して設けられた配管105aが前記水冷媒熱交換器115の前記水側の流路115aの一方側(図示下側)と接続されるとともに、前記加熱戻り管6の配管6aから分岐して設けられた配管106aが前記水側の流路115aの他方側(図示上側)に接続されており、これら配管106a,105a(湯水配管に相当)によって前記ヒートポンプユニット500内で湯水循環回路としての加熱循環回路104が形成されている。前記沸上ポンプ119は、前記配管105aの途中に設けられ、前記水側の流路115aを介し前記加熱往き管5からの湯水を前記加熱戻り管6へ流通させつつ、貯湯タンク2の湯水を循環させることができる。
また、ヒートポンプユニット500には、前記水冷媒熱交換器115において前記貯湯タンク2内の湯水と熱交換可能な冷媒循環回路130が設けられている。すなわち、前記冷媒循環回路130において、冷媒を圧縮する圧縮機114と、前記冷媒と外気との熱交換により凝縮器又は蒸発器として選択的に機能する室外熱交換器117と、膨張弁123とが、前記冷媒配管118によって接続されている。なお、室外熱交換器117には、前記室外熱交換器117に外気を通じるための室外ファン167が設けられている。
ここで、前記冷媒循環回路30,130内には、冷媒として例えばR32冷媒が用いられ、ヒートポンプサイクルを構成している。なお、冷媒はHFC冷媒やHFO冷媒、二酸化炭素冷媒であってもよい。そして、前記冷媒配管18において、前記配管部18aには、圧縮機14から吐出される冷媒吐出温度Toutを検出する吐出温度センサ20が設けられ、前記配管部18cには、圧縮機14へ吸入される冷媒の冷媒吸入温度Tinを検出する吸入温度センサ32が設けられている。なお、前記室外熱交換器17には、外気温度Tairを検出する外気温度センサ22が設けられている。これらのセンサ20,32,22の検出結果は、室外機ユニット300に設けられた室外機制御部410に入力され、さらに適宜、貯湯ユニット100に設けられた貯湯制御部420や室内機ユニット200に設けられた室内機制御部430や熱交換ユニット400に設けた熱交換制御部440やヒートポンプユニット500に設けたヒーポン制御部450へも入力される(室外機制御部410を介し受信しても良いし、センサ20,32,22から直接受信してもよい)。
また、前記熱交換ユニット400の前記冷媒配管25において、前記配管部25bには、前記冷媒側の流路15bから流出し前記膨張弁111に向かう冷媒流出温度T2(第3検出値)を検出する流出温度センサ21が設けられている。なお、前記水冷媒熱交換器15には、前記冷媒が前記冷媒側の流路15bにおいて凝縮する際の冷媒凝縮温度を検出する凝縮温度センサ33が設けられている。これらのセンサ21,33の検出結果は、熱交換ユニット400に設けられた前記熱交換制御部440に入力され、さらに適宜、前記室外機制御部410や前記室内機制御部430や前記貯湯制御部420や前記ヒーポン制御部450へも入力される(熱交換制御部440を介し受信しても良いし、センサ21,33から直接受信してもよい)。
また、室内機ユニット200の前記冷媒配管26において、前記室内熱交換器27には、空調対象空間の室内温度Trを検出する室内温度センサ34が設けられている。このセンサ34の検出結果は、室内機ユニット200に設けられた室内機制御部430に入力され、さらに適宜、前記室外機制御部410や前記貯湯制御部420や前記熱交換制御部440や前記ヒーポン制御部450へも入力される(室内機制御部430を介し受信しても良いし、センサ34から直接受信してもよい)。
そして、前記貯湯ユニット100の前記貯湯制御部420、前記熱交換ユニット400の前記熱交換制御部440、前記室外機ユニット300の前記室外機制御部410、前記室内機ユニット200の前記室内機制御部430、及び、前記ヒートポンプユニット500の前記ヒーポン制御部450は、互いに通信可能に接続されており、前記各センサの検出結果に基づき、相互に連携しつつ、前記貯湯ユニット100、前記熱交換ユニット400、前記室外機ユニット300、前記室内機ユニット200、前記ヒートポンプユニット500内の各機器・アクチュエータの動作を制御する。
このとき、前記室内機ユニット200は、リモコン等の適宜の操作部60(以下単に「リモコン60」と称する)によって操作可能である。すなわち、リモコン60は、例えば前記室内機制御部430に対し情報送受信可能に接続されており、ユーザは、このリモコン60を適宜に手動操作することにより、いずれの運転を行うかの運転指示、すなわち、大気排熱の冷房運転(以下適宜、「通常冷房運転」等という)、排熱利用給湯の冷房運転(以下適宜、「排熱利用給湯運転」等という)、前記ヒートポンプユニット500のみによる貯湯タンク2内の湯水の沸上運転(以下適宜、単に「沸上運転」という)等、のいずれを行うかを指示することができる。これらのリモコン60からの指示内容は、室内機ユニット200に設けられた前記室内機制御部430に入力され、さらに適宜、前記室外機制御部410や前記熱交換制御部440や前記貯湯制御部420やヒーポン制御部450へも入力される(室内機制御部430を介し受信しても良いし、リモコン60から直接受信してもよい)。
次に、前記室外機ユニット300に備えられた前記室外機制御部410について説明する。室外機制御部410は、詳細な図示を省略するが、各種のデータやプログラムを記憶する記憶部と、演算・制御処理を行う制御部とを備えている。この室外機制御部410の機能的構成を図2により説明する。
図2に示すように、前記室外機制御部410は、四方弁制御部410Aと、圧縮機制御部410Bと、膨張弁制御部410Cと、室外ファン制御部410Dと、二方弁制御部410Eと、を機能的に備えている。
四方弁制御部410Aには、前記リモコン60により指示された、いずれの運転を行うかの運転指示と、前記貯湯温度センサ12により検出された前記貯湯温度とが入力される。
四方弁制御部410Aは、前記運転指示と、前記貯湯温度に対応した前記湯水の加熱状況(貯湯状況)とに応じて、実際にヒートポンプ給湯機1をどのような運転態様(前記の通常冷房運転、排熱利用給湯運転、沸上運転)で運転するかを決定し、対応する運転情報を、前記圧縮機制御部410B、膨張弁制御部410C、室外ファン制御部410D、二方弁制御部410E、及び、貯湯制御部420、室内機制御部430、熱交換制御部440、ヒーポン制御部450に出力する。また、四方弁制御部410Aは、上記決定された運転態様に対応する開閉信号を四方弁31へ出力し、四方弁31を切り替える(詳細な制御内容は後述)。
圧縮機制御部410Bには、前記外気温度センサ22により検出された前記外気温度Tairと、前記室内温度センサ34により検出された前記室内温度Trと、前記リモコン60により設定されたエアコン設定温度Tconとが入力される(直接入力される場合のほか、前記の間接的な入力も含む。以下同様)。圧縮機制御部410Bは、前記のようにして四方弁制御部410Aから入力される前記運転情報に応じて、入力された前記の温度及び設定のうち少なくとも1つに基づき、前記圧縮機14の回転数を制御する。なおこのときの圧縮機14の回転数(制御値)は、後述の熱交換制御部440の膨張弁制御部440Bにも出力される(図示省略)。
膨張弁制御部410Cには、前記吐出温度センサ20により検出された前記冷媒吐出温度Toutと、前記流出温度センサ21により検出された前記冷媒流出温度T2と、前記吸入温度センサ32により検出された前記冷媒吸入温度Tinとが入力される。膨張弁制御部410Cは、前記四方弁制御部410Aからの前記運転情報に応じて、前記の入力された温度のうち少なくとも1つに基づき、前記膨張弁113の開度を制御する(詳細な制御内容は後述)。
二方弁制御部410Eは、前記四方弁制御部410Aからの前記運転情報に応じて、前記二方弁122の開閉を制御する(詳細な制御内容は後述)。
室外ファン制御部410Dには、前記外気温度センサ22により検出された前記外気温度Tairが入力される。室外ファン制御部410Dは、前記四方弁制御部410Aからの前記運転情報に応じて、前記外気温度Tairに基づき、前記室外ファン67の回転数を制御する。
なお、前記運転態様の決定は、貯湯制御部420や室内機制御部430や熱交換制御部440やヒーポン制御部450で行っても良い。この場合は、それら貯湯制御部420や室内機制御部430や熱交換制御部440やヒーポン制御部450から、決定された運転態様に対応した前記運転情報が室外機制御部410に入力され、その入力された運転情報に応じて四方弁制御部410A、圧縮機制御部410B、膨張弁制御部410C、室外ファン制御部410D、二方弁制御部410Eが各種制御を行う。
次に、前記熱交換ユニット400に備えられた前記熱交換制御部440について説明する。熱交換制御部440は、前記室外機制御部410同様、記憶部と制御部とを備えており、その機能的構成を図3により説明する。
図3に示すように、前記熱交換制御部440は、ポンプ制御部440Aと、膨張弁制御部440Bと、二方弁制御部440Cとを機能的に備えている。
ポンプ制御部440Aには、前記室外機制御部410からの前記運転情報と、前記沸上温度センサ24により検出された前記沸上温度Tbと、前記流量センサ28により検出された前記ポンプ流量と、が入力される。ポンプ制御部440Aは、前記のようにして室外機制御部410から入力される前記運転情報に応じて、入力された前記沸上温度Tbに基づき、前記沸上ポンプ19の回転数を制御する。本実施形態では、ポンプ制御部440Aは、常には、前記沸上温度Tbと、予め定められた所定の目標沸上温度Tbo(後述の図10(a)参照)との偏差に応じて、前記沸上ポンプ19の回転数を制御する。
膨張弁制御部440Bには、前記室外機制御部410からの前記運転情報と、前記外気温度センサ22により検出された前記外気温度Tairと、前記室外機制御部410の前記圧縮機制御部410Bから入力された前記圧縮機14の回転数(制御値。但し公知の手法で検出された実際の圧縮機14の回転数を入力しても良い)と、前記流出温度センサ21により検出された前記冷媒流出温度T2と、前記吸入温度センサ32により検出された前記冷媒吸入温度Tinと、前記吐出温度センサ20により検出された前記冷媒吐出温度Toutとが入力される。膨張弁制御部440Bは、前記室外機制御部410からの前記運転情報に応じて、前記の入力された温度や回転数のうち少なくとも1つに基づき、前記膨張弁1110の開閉や開度を制御する。
二方弁制御部440Cには、前記室外機制御部410からの前記運転情報が入力される。二方弁制御部440Cは、前記運転情報に基づき、前記二方弁121の開閉動作を制御する(詳細な制御内容は後述)。
なお、前記と同様、運転態様の決定を、熱交換制御部440内(例えば前記二方弁制御部440C)や室内機制御部430や貯湯制御部420やヒーポン制御部450で行っても良い。この場合は、それら二方弁制御部440Cや室内機制御部430や貯湯制御部420やヒーポン制御部450で決定した運転態様に対応する運転情報に応じて、ポンプ制御部440A、膨張弁制御部440Bが各種制御を行う。
次に、前記室内機ユニット200に備えられた前記室内機制御部430について説明する。室内機制御部430は、前記室外機制御部410及び熱交換制御部440同様、記憶部と制御部とを備えており、その機能的構成を図4により説明する。
図4に示すように、前記室内機制御部430は、室内ファン制御部430Aを機能的に備えている。室内ファン制御部430Aには、前記室外機制御部410からの前記運転情報と、前記室内温度センサ34により検出された前記室内温度Trと、前記リモコン60により設定された前記エアコン設定温度Tconとが入力される。室内ファン制御部430Aは、前記室外機制御部410からの前記運転情報に応じて、前記室内温度Tr及びエアコン設定温度Tconに基づき、前記室内ファン77の回転数を制御する。
なお、前記と同様、運転態様の決定を、室内機制御部430内や熱交換制御部440や貯湯制御部420やヒーポン制御部450で行っても良い。この場合は、それら室内機制御部430や熱交換制御部440や貯湯制御部420やヒーポン制御部450で決定した運転態様に対応する運転情報に応じて、室内ファン制御部430Aが前記制御を行う。
次に、前記貯湯ユニット100に備えられた前記貯湯制御部420について説明する。貯湯制御部420は、前記室外機制御部410、熱交換制御部440、室内機制御部430と同様、記憶部と制御部とを備えており、その機能的構成を図5により説明する。
図5に示すように、前記貯湯制御部420は、戻し制御部420Bと、温度制御部420Cと、を機能的に備えている。
戻し制御部420Bには、前記室外機制御部410からの前記運転情報と、前記貯湯温度センサ12により検出された前記貯湯温度と、前記沸上温度センサ24により検出された前記沸上温度Tbと、が入力される。戻し制御部420Bは、前記室外機制御部410からの前記運転情報と、前記貯湯温度に対応した前記湯水の加熱状況(貯湯状況)とに応じて三方弁10C,10Dの開度を適宜に制御する。これにより、貯湯タンク2への湯水を、配管6c,6eを介して貯湯タンク2の下部へ戻すのか、若しくは、配管6c,6dを介して貯湯タンク2の中間部へ戻すのか、若しくは、配管6bを介して貯湯タンク2の上部へ戻すのか、等が制御される。なお、本実施形態では、基本的に、前記排熱利用給湯運転のときには、水冷媒熱交換器15において熱交換を行った後の湯水(中温水)が配管6c,6dを介して貯湯タンク2の中間部へ戻され、前記沸上運転のときには、前記ヒートポンプユニット500にて加温された湯水(高温水)が配管6bを介して貯湯タンク2の上部へ戻される。
温度制御部420Cには、前記室外機制御部410からの前記運転情報と、前記貯湯温度センサ12により検出された前記貯湯温度と、給湯温度センサ37により検出された給湯温度と、が入力される。温度制御部420Cは、前記室外機制御部410からの前記運転情報と、前記貯湯温度に対応した前記湯水の加熱状況(貯湯状況)とに応じて、前記給湯温度センサ37からの前記給湯温度が、前記給湯設定温度となるように、混合弁10A,10Bの開度を適宜に制御する。
なお、前記と同様、運転態様の決定を、貯湯制御部420内や熱交換制御部440や室内機制御部430やヒーポン制御部450で行っても良い。この場合は、それら貯湯制御部420や熱交換制御部440や室内機制御部430で決定した運転態様に対応する運転情報に応じて、戻し制御部420B、温度制御部420Cが前記制御を行う。
次に、前記ヒートポンプユニット500に備えられた前記ヒーポン制御部450について説明する。ヒーポン制御部450は、前記室外機制御部410、熱交換制御部440、室内機制御部430、貯湯制御部420と同様、記憶部と制御部とを備えており、その機能的構成を図6により説明する。
図6に示すように、前記ヒーポン制御部450は、ポンプ制御部450Aと、圧縮機制御部450Bと、膨張弁制御部450Cと、室外ファン制御部450Dと、を機能的に備えている。
ポンプ制御部450Aには、前記室外機制御部410からの前記運転情報と、前記水冷媒熱交換器115の水側の流路115aの出口側に設けられた温度センサ(図示せず)からの出口温度とが入力される。ポンプ制御部450Aは、前記のようにして入力される前記運転情報に応じて、入力された前記の温度及び設定のうち少なくとも1つに基づき、前記沸上ポンプ119の回転数を制御する。
圧縮機制御部450Bには、前記室外機制御部410からの前記運転情報と、前記外気温度センサ22により検出された前記外気温度Tairとが入力される。圧縮機制御部450Bは、前記のようにして入力される前記運転情報に応じて、入力された前記の温度及び設定のうち少なくとも1つに基づき、前記圧縮機114の回転数を制御する。
膨張弁制御部450Cには、前記室外機制御部410からの前記運転情報と、前記圧縮機114の吐出側に設けられた吐出温度センサ20(図示せず)により検出された前記冷媒吐出温度とが入力される。膨張弁制御部450Cは、前記運転情報に応じて、前記の入力された温度のうち少なくとも1つに基づき、前記膨張弁123の開度を制御する。
室外ファン制御部450Dには、前記室外機制御部410からの前記運転情報と、前記外気温度センサ22により検出された前記外気温度Tairが入力される。室外ファン制御部450Dは、前記運転情報に応じて、前記外気温度Tairに基づき、前記室外ファン167の回転数を制御する。
なお、前記と同様、運転態様の決定を、ヒーポン制御部450内や貯湯制御部420や室内機制御部430や熱交換制御部440で行っても良い。この場合は、それらヒーポン制御部450や貯湯制御部420や室内機制御部430や熱交換制御部440で決定した運転態様に対応した前記運転情報に応じて、圧縮機制御部450B、膨張弁制御部450C、室外ファン制御部450Dが前記制御を行う。
ヒーポン制御部450は、上記圧縮機制御部450B、膨張弁制御部450C、室外ファン制御部450Dの制御により、前記水冷媒熱交換器15における前記熱交換が行われない場合であっても(若しくは当該水冷媒熱交換器15における前記熱交換の実行と併せて)、貯湯タンク2内の湯水を加熱して供給する前記沸上運転等を実行することができる。
ここで、前記したように、本実施形態のヒートポンプ給湯機1では、通常冷房運転、排熱利用給湯運転、沸上運転等の各種類の運転を選択的に実行することができる。以下、各運転の詳細を順次説明する。
<通常冷房運転>
まず、図7を用いて、通常冷房運転について説明する。この図7に示す通常冷房運転時(大気排熱冷房モードに相当)においては、前記四方弁制御部410Aにより、前記四方弁31は、前記配管部18aを前記配管部18dに連通させると共に前記配管部18cを前記配管部18bに連通させる位置(前記した冷房側)に切り替えられる。また前記二方弁制御部410E,440Cにより、二方弁122が開き状態、二方弁121が閉じ状態に切り替えられる。さらに前記膨張弁制御部410C,440Bにより、膨張弁113が適宜の開度に調整された状態、膨張弁111が全閉状態に制御される。
この結果、圧縮機14の吐出側の配管部18a→配管部18d→配管部18e(二方弁122)→室外熱交換器17→配管部18f(膨張弁113)→配管部26b→室内熱交換器27→配管部26a→配管部18b→圧縮機14の吸入側の配管部18cの冷媒経路が形成される。
これにより、低温・低圧で吸入されたガス状態の冷媒が前記圧縮機14で圧縮されて高温・高圧のガスとなった後、室外ファン67の回転駆動とともに凝縮器として機能する前記室外熱交換器17において外気と熱交換を行って熱を放出しながら高圧の液体に変化する。こうして液体となった冷媒は前記膨張弁113において適宜に減圧されて低温・低圧の液体となって蒸発しやすい状態となり、室内ファン77の回転駆動とともに蒸発器として機能する前記室内熱交換器27において室内空気から吸熱して蒸発しガスに変化することで空調対象空間を冷却し、低温・低圧のガスとして再び圧縮機14へと戻る。
<排熱利用給湯運転>
次に、図8を用いて、排熱利用給湯運転について説明する。この図8に示す排熱利用給湯運転時(排熱利用冷房モードに相当)においては、前記四方弁制御部410Aにより、前記通常冷房運転時と同様、前記四方弁31は、前記冷房側に切り替えられる。また前記二方弁制御部410E,440Cにより、二方弁122が閉じ状態、二方弁121が開き状態に切り替えられる。さらに前記膨張弁制御部410C,440Bにより、前記膨張弁113が全閉状態、前記膨張弁111が適宜の開度に調整された状態、に制御される。
この結果、圧縮機14の吐出側の配管部18a→配管部18d→配管部25a(二方弁121)→水冷媒熱交換器15→配管部25b(膨張弁111)→配管部26b→室内熱交換器27→配管部26a→配管部18b→圧縮機14の吸入側の配管部18cの冷媒経路が形成される。
これにより、低温・低圧で吸入されたガス状態の冷媒が前記圧縮機14で圧縮されて高温・高圧のガスとなった後、凝縮器として機能する前記水冷媒熱交換器15の前記冷媒側の流路15bにおいて熱を放出しながら高圧の液体に変化する。こうして液体となった冷媒は前記膨張弁111において適宜に減圧されて低温・低圧の液体となって蒸発しやすい状態となり、室内ファン77の回転駆動とともに蒸発器として機能する前記室内熱交換器27において室内空気から吸熱して蒸発しガスに変化することで空調対象空間を冷却し、低温・低圧のガスとして再び圧縮機14へと戻る。
また、沸上ポンプ19が前記ポンプ制御部440Aの制御により回転することで、貯湯タンク2下部に接続された前記配管5bから取り出された低温水(未加熱水)が、前記熱交換ユニット400の水冷媒熱交換器15の前記水側の流路15aにおいて前記凝縮する冷媒から受熱して加熱されて前記中温水となった後、貯湯タンク2内に戻される(給湯処理)。すなわち、前記熱交換ユニット400は、貯湯タンク2へ前記中温水を貯める中温熱源として機能する。以上の結果、夏期における冷房排熱を貯湯タンク2への湯水の加温(給湯)に活用することができる。
なお、以上の運転態様において説明したように、本実施形態においては、前記四方弁31と、前記二方弁122,121と、前記膨張弁113,111と、これらを制御する前記室外機制御部410、前記貯湯制御部420、前記室内機制御部430、及び前記熱交換制御部440とが、各請求項記載のモード切替手段として機能する。
<沸上運転>
次に、図9を用いて沸上運転について説明する。この図9に示す沸上運転時においては、前記膨張弁制御部450Cにより、前記膨張弁123が適宜の開度に調整された状態、に制御される。
この結果、前記圧縮機114の吐出側→水冷媒熱交換器115の冷媒側の流路115b→冷媒配管118(膨張弁123)→室外熱交換器117→圧縮機114の冷媒経路が形成される。
これにより、低温・低圧で吸入されたガス状態の冷媒が前記圧縮機114で圧縮されて高温・高圧のガスとなった後、凝縮器として機能する水冷媒熱交換器115の前記冷媒側の流路115bにおいて前記水側の流路115aを流れる水と熱交換を行って前記水に熱を放出し加熱しながら高圧の液体に変化する。こうして液体となった冷媒は前記膨張弁123において減圧されて低温・低圧の液体となって蒸発しやすい状態となり、蒸発器として機能する前記室外熱交換器117において外気と熱交換を行って蒸発してガスに変化することで吸熱し、低温・低圧のガスとして再び圧縮機114へと戻る。
また、沸上ポンプ119が前記ポンプ制御部450Aの制御により回転することで、貯湯タンク2下部に接続された前記加熱往き管5から取り出された低温水(未加熱水)が、前記ヒートポンプユニット500の水冷媒熱交換器115の前記水側の流路115aにおいて前記凝縮する冷媒から受熱してふろの追い焚き等の熱利用側の熱源として利用しやすい65℃~90℃程度の高温まで加熱された後、貯湯タンク2上部に接続された加熱戻り管6から貯湯タンク2内に戻されることで、貯湯タンク2内に順次前記高温水(加熱水)が積層状に貯湯される。すなわち、前記ヒートポンプユニット500は、貯湯タンク2へ前記高温水を貯める高温熱源として機能する。
<実施形態の特徴>
上記構成及び基本動作の本実施形態において、その特徴は、前記排熱利用給湯運転時において、冷房出力増大時に前記目標沸上温度Tboを一時的に増大補正することにある。その詳細を順を追って説明する。
<ポンプ回転数のフィードバック制御>
前述したように、加熱循環回路4において湯水の循環を行う前記沸上ポンプ19の回転数は、前記ポンプ制御部440Aによって、前記沸上温度センサ24が検出する湯水の沸上温度Tbと前記目標沸上温度Tboとの偏差に応じ、沸上温度Tbが目標沸上温度Tboとなるようにフィードバック制御される。この結果、例えば前記冷凍サイクル側の出力(冷房出力)が大きくなると、沸上温度Tbを目標沸上温度Tboに維持するために沸上ポンプ19の回転数は高くなり、湯水の流量が大きくなって加熱循環回路4における出力(沸上出力)は増大する。逆に前記冷房出力が小さくなると、沸上温度Tbを維持するために沸上ポンプ19の回転数は低くなり、前記沸上出力も減少する。
<貯湯タンクへの中温水の戻し>
このとき、前記水冷媒熱交換器15の水側の流路aからの湯水は、前述の配管6d,8dを介して、貯湯タンク2の高さ方向中間部に戻される。これには、以下の意義がある。すなわち、前記のように前記沸上出力が前記冷房出力の大小に応じて増減することから、通常、冷房COPを高く維持するために、湯水の前記目標沸上温度Tboは比較的低く(例えば45℃等。前記した中温水となる)設定される。このとき、貯湯タンク2内の上部には、例えば前述の沸上運転により沸き上げられた、上記の温度よりも高い湯水(前記した高温水)が貯留されている。したがって、前記のように温度が相対的に低い中温水を貯湯タンク2上部ではなく貯湯タンク2の高さ方向中間部に戻すことにより、例えばふろの追い焚き等に利用される、前記貯湯タンク2内上部にある前記高温水の層を壊さないようにすることができるものである。
ここで、前記のように前記沸上出力が前記冷房出力に連動して増減することから、冷房出力がある程度大きくなった場合に、前記沸上出力も大きくなって前記中温水の流量が増大する。この結果、前記中温水が比較的速い速度で前記貯湯タンク2内に戻されてしまい、貯湯タンク2内において上部の高温水の層と中間部の中温水の層との境界層を破壊してしまうおそれがある。
<目標沸上温度の補正>
そこで、本実施形態においては、前記境界層の破壊を防止するために、前記ポンプ制御部440Aが、前記目標沸上温度Tboの増大補正を行う。この処理の詳細を、図10(a)~(c)により説明する。図10(a)は、前記排熱利用給湯運転を開始した後における、前記ポンプ制御部440Aにより設定される前記目標沸上温度Tboの経時挙動を示し、図10(b)は、その目標沸上温度Tboの設定に対応した前記沸上温度Tbの経時挙動の一例を示し、図10(c)は、前記目標沸上温度Tbo及び前記沸上温度Tbの経時挙動に対応した、前記沸上出力、前記冷房出力、前記ポンプ流量の経時挙動の一例を示している。
図10(a)~(c)において、まず、前記排熱利用給湯運転を開始後、前記冷房出力が徐々に増大しこれに対応して沸上出力も徐々に増大する。これに対応して、前記ポンプ制御部440Aの制御により、前記沸上ポンプ19の回転数が徐々に増大制御され、ポンプ流量が増大する。これにより、前記沸上温度センサ24により検出される沸上温度Tbが、この時点での(すなわち後述する増大補正がなされる前の)前記目標沸上温度Tbo(この例では45℃)に維持されるように制御される。この増大制御は、ポンプ流量が、予め定められた所定流量(図10(c)の例では4リットル/min)となるまでの間(区間L1)、継続される(回転数増大処理)。
このとき、仮に前記ポンプ制御部440Aがそのまま前記目標沸上温度Tboを45℃に維持したとすると、さらなる前記冷房出力及び前記沸上出力の増大により、ポンプ流量は、前記所定流量を超えて上昇することとなってしまう(2点鎖線で表すイ参照)。この結果、前述したように貯湯タンク2へ戻る前記中温水の流速増大によって前記高温水と前記中温水との境界層が破壊されるおそれがある。そこで本実施形態では、前記ポンプ制御部440Aは、前記ポンプ流量が前記所定流量(この例では4リットル/min)となった後は、前記目標沸上温度Tboを所定値△T(例えば図10(a)に示す例では3℃)だけ増大補正する。これにより、前記沸上温度Tbは、増大した前記目標沸上温度Tboの値(この例では48℃)までの上昇が許容される(図10(b)中のア参照)こととなることから、沸上温度Tbが前記48℃まで増大するまでの間(区間L2)は、前記ポンプ流量は、略一定すなわち前記所定流量に保たれる(第1処理期間としての区間L2)。
その後、この例では、前記沸上温度Tbが前記補正後の目標沸上温度Tbo(前記の例では48℃)となるタイミングで前記冷房出力及び前記沸上出力が略一定値となる。この結果、前記ポンプ制御部440Aの制御により、沸上温度Tb=補正後目標沸上温度Tboの状態のまま、前記ポンプ流量はしばらくの間(第2処理期間としての区間L3)略一定に保たれる。
その後、ある程度の時間が経過し(例えば冷房負荷が低下して)前記冷房出力及び前記沸上出力が低下するが、前記ポンプ制御部440Aの制御により前記ポンプ流量は引き続き略一定に保たれ、前記沸上温度Tbは徐々に低下する(第3処理期間としての区間L4)。
そして、この例では、検出される前記沸上温度Tbが前記増大補正を行う前の前記目標沸上温度Tbo(この例では45℃)まで低下したときに、前記ポンプ制御部440Aの制御により、前記目標沸上温度Tboが前記増大補正される前の値に復帰するとともに、前記沸上ポンプ19の回転数が徐々に減少制御されてポンプ流量が減少する。これにより、前記検出される前記沸上温度Tbは、前記復帰後の前記目標沸上温度Tboとなるように制御される(区間L5で実行される回転数減少処理)。
なお、前記区間L2,L3,L4において実行される処理が、流量一定化処理に相当している。
以上のようにして、本実施形態においては、前記排熱利用給湯運転時において、前記ポンプ流量が前記所定流量に到達した後に冷房出力がさらに増大しても、それに対応する前記沸上出力の増大分を沸上温度Tbの上昇で吸収することで、前記ポンプ流量については当該所定流量のまま一定に保つことができる。
<処理手順>
上記手法を実現するために、前記した室外機制御部410、貯湯制御部420、室内機制御部430、熱交換制御部440、ヒーポン制御部450によって実行される処理手順を、図11に示すフローチャートによって説明する。
図11において、まず、ステップS10で、例えば室外機制御部410が、前記リモコン60における適宜の操作によって、前記排熱利用給湯運転の開始が指示されたか否かを判定する。運転開始が指示されていなければこの判定は満たされず(S110:NO)、この判定が満たされるまでループ待機する。前記開始が指示されていればこの判定は満たされ(S10:YES)、ステップS20に移行する。
ステップS20では、例えば熱交換制御部440のポンプ制御部440Aが、前記目標沸上温度Tboの増大補正の有無を表すフラグFをF=0に初期化する。
その後、ステップS30で、室外機制御部410、貯湯制御部420、室内機制御部430、及び、熱交換制御部440が互いに連携して、前記排熱利用給湯運転を開始する。これにより、前記図8に示したように、水冷媒熱交換器15において熱交換を行った後の湯水は、配管6c,6d,8dを介して貯湯タンク2の高さ方向中間部へ戻される。
そして、ステップS40で、例えば前記ポンプ制御部440Aが、前記フラグFが1であるか否かを判定する。前記したように前記排熱利用給湯運転の開始直後は前記フラグF=0のままであるから判定が満たされず(S40:NO)、ステップS50へ移行する。
ステップS50では、ポンプ制御部440Aは、前記した流量センサ28の検出結果に基づき、前記ポンプ流量が前記所定流量(前記図10の例では毎分4リットル)まで増大したか否かを判定する。前記排熱利用給湯運転の開始直後はポンプ流量はまだ十分に増大しておらずこの判定が満たされず(S50:NO)、ステップS120に移行する。
ステップS120では、ポンプ制御部440Aは、前記沸上温度センサ24により検出される前記沸上温度Tbがこの時点の目標沸上温度Tboとなるように、沸上ポンプ19の回転数を制御する。その後、ステップS40に戻って同様の手順を繰り返す。これにより、前記ポンプ流量が前記所定流量に達するまでは、ステップS40→ステップS50→ステップS120→ステップS40→・・が繰り返されることで、前記沸上ポンプ19の回転数は、前記沸上温度Tbが前記目標沸上温度Tboに一致するように制御されつつ増大し、ポンプ流量が徐々に増大する。
そして、上記繰り返しにおいて前記ポンプ流量が前記所定流量に達するとステップS50の判定が満たされ(S50:YES)、ステップS60へ移行する。
ステップS60では、前記ポンプ制御部440Aが、この時点での目標沸上温度Tbo(前記の例では45℃)に対し、所定値△T(前記の例では3℃)を加える増大補正を行う。
その後、ステップS70で、前記ポンプ制御部440Aは、前記ポンプ流量を一定に保つように前記沸上ポンプ19の回転数を制御(一定値に固定)する。そして、ステップS80で、前記ポンプ制御部440Aは、前記フラグFを、前記目標沸上温度Tboの増大補正を行ったことを表すF=1として前記ステップS40に戻る。
このようにして戻った前記ステップS40では、前記ステップS80においてF=1とされていることから判定が満たされ(S40:YES)、ステップS90に移行する。
ステップS90では、ポンプ制御部440Aは、前記沸上温度センサ24により検出される前記沸上温度Tbが、この時点での(すなわち前記増大補正後の)目標沸上温度Tboから前記所定値△Tを減じた値、すなわち前記増大補正前の目標沸上温度Tboまで低下したか否かを判定する。前記図10の前記区間L4の例で前述したように前記冷房出力及び前記沸上出力の低下によって前記沸上温度Tbが前記増大補正前の目標沸上温度Tbo(前記の例では45℃)まで低下するまではステップS90の判定は満たされず(S90:NO)ループ待機し、低下したらステップS90の判定が満たされ(S90:YES)、ステップS100に移行する。
ステップS100では、ポンプ制御部440Aは、この時点での前記目標沸上温度Tbo(すなわち前記増大補正後の目標沸上温度Tbo。前記の例では48℃)から前記所定値△T(前記の例では3℃)を減じ、補正前の値に復帰させる。そして、ステップS110で、前記ポンプ制御部440Aは、前記フラグFを、前記増大補正前の状態に復帰したことに対応させてF=0とし前記ステップS40に戻り、以降、同様の手順を繰り返す。
なお、前記において、図11のフローのステップS40、ステップS50、ステップS120、ステップS60、ステップS70、ステップS80、ステップS90、ステップS100、ステップS110を実行するポンプ制御部440Aと、前記流量センサ28(又は前記回転数センサ)とが、各請求項記載のポンプ制御手段として機能する。
なお、前記ステップS50にてポンプ流量が所定流量まで増大していると判定しても、貯湯温度センサ12によって貯湯タンク2内に高温水がないことが検出された場合は、前記ステップS60~S80を実行せずに、前記ステップ120へ移行するようにしても良い。
<実施形態の効果>
以上説明したように、本実施形態においては、前記排熱利用給湯運転時において、前記ポンプ流量が前記所定流量に到達した後に冷房出力がさらに増大しても、それに対応する前記沸上出力の増大分を沸上温度Tbの上昇で吸収することで、前記ポンプ流量については当該所定流量のまま一定に保つことができる。この結果、配管6d,8dを介し貯湯タンク2内に戻る中温水の速度に一定の上限値を設けることができるので、貯湯タンク2内における、前記高温水の層と前記中温水の層との間の前記境界層が破壊されるのを防止することができる。
また、本実施形態では特に、例えば前記補正後の目標沸上温度Tboの値を適宜に設定する(言い替えれば前記所定値△Tの値を適宜に設定する)ことで、ポンプ制御部440Aの制御により、前記冷房出力が増大することで前記沸上温度Tbが増大していく期間(前記区間L2)、その後冷房出力が上げ止まって一定となり沸上温度Tbが目標沸上温度Tboに到達した状態で運転されている期間(前記区間L3)、その後冷房出力が減少することで沸上温度Tbが減少していく期間(前記区間L4)の順で推移させ、それらの間、常にポンプ流量を略一定に保つことができる。
また、本実施形態では特に、ポンプ制御部440Aにより、前記沸上温度Tbが前記増大補正前の目標沸上温度Tbo(前記の例では45℃)まで下がってきたらもとの制御に戻り、沸上ポンプ19の回転数を減少させつつ、前記沸上温度Tbがもとの(補正前の)前記目標沸上温度Tboとなるように制御される。これにより、前記目標沸上温度Tboの増大補正により低下していた前記冷房COPを、元の所望の高い水準に復帰させることができる。
また、本実施形態では特に、前記流量センサ28(若しくは前記回転数センサ)により前記ポンプ流量が決定され、そのポンプ流量に基づいて、前記ポンプ制御部440Aによって前述の処理が行われる。これにより、前記目標沸上温度Tboの増大補正後においてポンプ流量を確実に一定に保つことができる。
また、本実施形態では特に、前記流量センサ28の検出結果、若しくは、前記回転数センサの検出結果、に基づき、前述のポンプ回転数の増大制御や前記流量一定化のための制御を精度よく行うことができる。
また、本実施形態では特に、冷房運転を2つのモード(前記通常冷房運転での大気排熱冷房モード、前記排熱利用給湯運転での排熱利用冷房モード)で行うことができる。前記排熱利用給湯運転時には、前記したような、圧縮機14吐出側→水冷媒熱交換器15→室内熱交換器27→圧縮機14吸入側の経路での冷凍サイクルが実現される。その一方、前記通常冷房運転時には、前記圧縮機14の吐出側に対し室外熱交換器17の入口側を連通するとともに、前記圧縮機14の吸入側に出口側が連通された前記室内熱交換器27の入口側に対し、前記室外熱交換器17の出口側を連通する。この場合、圧縮機14から吐出された高温高圧の冷媒ガスが室外熱交換器17(凝縮器として機能)で外気へ放熱し凝縮して液体冷媒となり、その後室内熱交換器27(蒸発器として機能)で蒸発することで室内空気から吸熱して圧縮機14へと戻る、通常の冷房運転を実現することができる。
なお、図10(c)において区間L2,L3,L4において前記ポンプ制御部440Aの制御によって前記沸上ポンプ19のポンプ流量の上限を設定したのに代え、前記加熱循環回路4に公知の定流量弁(この場合の流量制限手段に相当)を設けることで前記ポンプ流量を前記所定流量に制限するようにしても良い。この場合、ポンプ制御部440Aが前述のような目標沸上温度Tboの補正を行わなくても(すなわち目標沸上温度Tboが固定のままでも)、当該定流量弁の流量制限機能を利用して、前記区間L1に対応する前記回転数増大処理及び前記区間L2,L3,L4に対応する前記流量一定化処理を行うことができる。
すなわち、前記回転数増大処理では、前記定流量弁が制限している状態の前記ポンプ流量が前記所定流量(前記の例に沿うと4リットル/min)となるまでの間、ポンプ制御部440Aが前記循環ポンプ19の回転数を増大させ、前記流量一定化処理では、前記定流量弁の機能によって前記ポンプ流量が一定に保つように制御されるものである。
なお、この場合、前記図11のステップS120に相当する、ポンプ制御部440Aによる「沸上温度Tbが目標沸上温度Tboとなるようにポンプ回転数を制御する」機能と、前記定流量弁とが、各請求項記載のポンプ制御手段として機能する。
本変形例においても、ポンプ流量を確実に一定に保つことができるので、前記実施形態と同様、貯湯タンク2内に戻る中温水の速度に一定の上限値を設けることができ、貯湯タンク2内における前記境界層が破壊されるのを防止することができる。またこの変形例では特に、前記定流量弁の定流量吐出機能を利用することで、高い信頼性にて前記回転数増大処理及び前記流量一定化処理を精度よく行うことができる。
なお、本発明は以上の態様に限定されることなく、その趣旨を変更しない範囲で適用可能なもので、例えば、前記二方弁121,122のうち少なくとも1つを、閉止機能付きの膨張弁で置き換えても良い。また、前記膨張弁111,113に代え、減圧器としてエジェクターを用いても良い。
また、前記実施形態においては、前記排熱利用給湯運転において沸上温度よりも高温の湯を貯湯タンク2内へ沸き上げる高温熱源として、前記ヒートポンプユニット500を用いた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば貯湯タンク2内に電熱ヒータを配置し、この電熱ヒータによって高温の湯を貯湯タンク2内へ沸き上げるようにしても良い。この場合も前述と同様の効果を得る。