JP2002243276A - ヒートポンプ給湯器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】制御方法の最適化により貯湯温度を高温まで昇
温でき省エネルギと制御性に優れたヒートポンプ給湯器
を提供する。 【解決手段】能力可変の圧縮機４２、水熱交換器４３、
流量制御弁４４、室外ファン４５ａを備えた室外空気熱
交換器４５を接続し、圧縮機の吐出側と室外空気熱交換
器の冷媒入口側とを除霜バイパス弁のある除霜バイパス
路４７により連通した、冷凍サイクル４１と、二次側熱
交換管４３ｂを水配管３３ａにより貯湯タンク３２の上
部に接続し、貯湯タンクの下部に流量可変のポンプ３４
と二次側熱交換管の水入口を水配管３３により接続して
循環させる水回路３１と、貯湯タンク内下部の水温セン
サ３７と、貯湯槽制御器３９またはリモートコントロー
ラ５０からの貯湯運転開始指令信号で貯湯運転を開始さ
せ、水温センサによりこの貯湯タンク内の貯湯の沸き上
げ温度を設定する制御器４９と、を具備している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートポンプ式冷
凍サイクルにより貯湯タンク内の水を加熱して高温水の
給湯が可能なヒートポンプ給湯器に係り、特に、制御方
法の最適化を図ったヒートポンプ給湯器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のヒートポンプ給湯器の一
例としては、例えば図９に示すように冷媒を循環させる
ヒートポンプ式冷凍サイクル１と、この冷凍サイクル１
の冷媒により加熱される水を貯湯タンク１１に供給する
水回路１０と、を具備したものがある。

【０００３】冷凍サイクル１は、圧縮機２、四方弁３、
水熱交換器４の一次側熱交換管４ａ、膨張弁５、室外空
気熱交換器６を冷媒配管７によりこの順に順次接続して
冷媒を循環させる閉じたループを構成している。なお、
図９中符号４ｃは水熱交換器４の中間部に設置されて冷
媒の凝縮温度を検出する凝縮温度センサである。

【０００４】一方、水回路１０は、上記水熱交換器３の
一次側熱交換管４ａと熱交換自在の二次側熱交換管４
ｂ、貯湯タンク１１、ポンプ１２をこの順に順次水配管
１３により接続して、水（または温水）を循環させる閉
じたループを構成している。

【０００５】貯湯タンク１１は、その上部に、水熱交換
器４からの温水が供給される湯入口と給湯口を兼用する
湯出入口１１ａを設け、この湯出入口１１ａに接続され
た二股分岐管の一端を水熱交換器４の水出口側の水路に
接続する一方、他方の分岐管端部を給湯ライン１６に接
続している。一方、給湯タンク１１の底部には、給水を
受ける水入口１１ｂと水出口１１ｃとを設け、水入口１
１ｂには給水ライン１７を接続している。貯湯タンク１
１は、その内底部に貯水の水温を検出する水温センサ１
４を配設する一方、貯湯ケーシング１５内に収容されて
いる。一方、水熱交換器４を含む圧縮機２や四方弁３、
室外空気熱交換器６等の冷凍サイクル１の構成装置、ポ
ンプ１２は、熱源機ケーシング８内に収容されている。

【０００６】そして、このヒートポンプ給湯器の貯湯運
転時には、冷媒が冷凍サイクル１を図９中矢印で示す方
向に循環して水熱交換器４が凝縮器として作用する一
方、空気熱交換器６が蒸発器として作用する。このため
に、貯湯タンク１１の底部の水出口１１ｃからポンプ１
２により汲み出された水は水熱交換器４の二次側熱交換
管４ｂ内を通水する際に、一次側熱交換管４ｂを通る高
温高圧のガス状冷媒の凝縮熱により加熱されて温水にな
り、この温水がポンプ１２の送水により水配管１３を介
して貯湯タンク１１内に、その上部の湯出入口１１から
供給される。

【０００７】このように貯湯タンク１１内の貯湯を水熱
交換器４により繰り返し加熱することにより、貯湯タン
ク１１内の貯湯温度を上から漸次昇温し、水熱交換器４
の入口水温設定値に対応した所定の貯湯温度に昇温した
ときに貯湯運転が停止し、以後、この所定温度の貯湯を
給湯する給湯運転に待機する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のヒートポンプ給湯器では、圧縮機２とポンプ
１２の能力が固定であり、可変ではないうえに、膨張弁
５も固定絞りであるために、図１０に示すように貯湯タ
ンク１１内の水温Ａの上昇と共に、水熱交換器４の凝縮
温度Ｂが上昇するので、能力固定の圧縮機２を、その使
用限界である凝縮温度（熱交中間温度）の例えば約６５
℃程度までしか使用できないので、貯湯タンク１１内の
貯湯を例えば６０℃程度までしか昇温できないという課
題がある。

【０００９】また、圧縮機２やポンプ１２の能力が固定
であるために外気温度の低下等負荷変動に対応した貯湯
運転が困難であり、貯湯を所定温度まで昇温させる貯湯
運転に長時間かかっている。

【００１０】さらに、室外空気熱交換器６の着霜を除霜
するための除霜運転が四方弁３を貯湯運転時とは逆方向
に切り換える、いわゆるリバース除霜運転であり、その
際には水熱交換器４が蒸発器（冷却器）として作用する
にも拘らず、ポンプの運転を続行するので、この水熱交
換器４で冷却された水が貯湯タンク１１内に供給されて
しまい、貯湯温度を低下させてしまうという課題があ
る。

【００１１】さらにまた、室外空気熱交換器６の熱交換
能力が固定であるために、外気温の変化に対する冷凍能
力の変化が大きいために、所定温度の貯湯量を外気温の
如何に拘らず安定して確保し難いという課題がある。

【００１２】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、制御方法の最適化を図ることに
より貯湯温度を高温まで効率的に昇温することが可能で
省エネルギと制御性に優れたヒートポンプ給湯器を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、能力
可変の圧縮機、水熱交換器の第１の熱交換管、流量制御
弁、回転数可変の室外ファンを備えた室外空気熱交換器
を順次接続する一方、上記圧縮機の吐出側と上記室外空
気熱交換器の冷媒入口側とをバイパス路により連通し、
このバイパス路に開閉弁を介在させて冷媒を循環させる
冷凍サイクルと、上記水熱交換器の第１の熱交換管と熱
交換自在の第２の熱交換管の水出口を水配管により貯湯
タンクの上部に接続する一方、この貯湯タンクの下部に
流量可変のポンプと上記第２の熱交換管の水入口を水配
管により順次接続することにより水を循環させる水回路
と、上記貯湯タンク内下部に設置されてこの貯湯タンク
内の水温を検出する水温センサと、上記貯湯タンクに設
けた貯湯タンク制御器またはリモートコントローラから
の貯湯運転開始指令信号を受信したときに貯湯運転を開
始させる一方、上記水温センサにより検出された水温に
基づいてこの貯湯タンク内の貯湯の沸き上げ温度を設定
する制御器と、を具備していることを特徴とするヒート
ポンプ給湯器である。

【００１４】この発明によれば、リモートコントローラ
で貯湯運転を開始させるための所要の操作を行なうこと
により、または、貯湯タンク制御器が予め設定した電力
料金が割安の深夜時間帯の開始時刻を計時すること等に
より、これらリモートコントローラまたは貯湯タンク制
御器から貯湯運転開始指令信号が制御器に与えられる
と、貯湯タンク内の貯湯を所定の沸き上げ温度に昇温さ
せる貯湯運転を開始させることができる。

【００１５】請求項２の発明は、上記制御器は、貯湯運
転開始時の上記圧縮機の初期運転周波数を上記水温セン
サの水温検出値に基いて決定して圧縮機の回転数を制御
する圧縮機制御手段と、貯湯運転開始から上記ポンプの
流量を漸次所定流量まで増大させるようにポンプを制御
するポンプ制御手段と、貯湯運転開始時、上記流量制御
弁の初期開度を所定時間継続させた後、上記圧縮機の吸
込側温度と上記室外空気熱交換器の蒸発温度との差が所
定値で一定となるように流量制御弁の開度を制御する流
量制御弁開度制御手段と、上記室外空気熱交換器の室外
ファンの単位時間当りの運転回転数を上記圧縮機の運転
周波数と室外温度とに基いていて制御する室外ファン制
御手段と、を具備していることを特徴とするヒートポン
プ給湯器である。

【００１６】請求項３の発明は、上記圧縮機制御手段
は、貯湯運転開始後、所定の制御時間毎に上記水熱交換
器の水出口側の水出口温度と上記貯湯の沸き上げ温度設
定値との偏差と、この偏差の変化量を算出し、これら偏
差とその変化量とから上記圧縮機の運転周波数の補正量
を求め、現在の運転周波数をこの補正量により補正する
圧縮機運転周波数補正機能を有し、上記ポンプ制御手段
は、貯湯運転開始後、ポンプ流量を所定流量で維持する
ように制御する機能を有し、上記流量制御弁開度制御手
段は、貯湯運転開始後、上記冷凍サイクルの圧縮機吸込
側温度と室外空気熱交換器の蒸発温度との差であるスー
パーヒート量が所定値で一定となるように流量制御弁の
開度を制御する機能を有し、室外ファン制御手段は、貯
湯運転開始後、上記圧縮機の運転周波数と室外温度に応
じて室外ファンの回転数を制御する機能を有することを
特徴とする請求項２記載のヒートポンプ給湯器である。

【００１７】これら請求項２，３に係る発明によれば、
圧縮機、ポンプおよび室外ファンが共に能力可変であっ
て、流量制御弁の開度が制御自在であり、これらをヒー
トポンプ給湯器の貯湯運転開始時と、その貯湯運転の継
続により貯湯温度が安定する安定時とに、それぞれの運
転条件に適合した能力で制御して制御の最適化を図って
いるので、この貯湯運転のみで貯湯タンク内の貯湯の温
度を目標温度の高温まで沸き上げることができ、貯湯運
転効率を向上させることができる。

【００１８】請求項４の発明は、上記制御器は、上記貯
湯タンク制御器またはリモートコントローラからの貯湯
運転停止指令信号を受信したときに、貯湯運転を停止さ
せ、あるいは上記水温センサにより検出した水温検出値
に基いて貯湯運転を停止させる機能を有することを特徴
とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポン
プ給湯器である。

【００１９】この発明によれば、貯湯タンク制御器また
はリモートコントローラからの貯湯運転停止信号によ
り、または貯湯タンク内の水温センサの検出値が所定の
貯湯温度を検出したときに貯湯運転を自動的に停止させ
ることができる。

【００２０】請求項５の発明は、上記制御器は、上記ポ
ンプの運転を停止させると共に、上記バイパス路の開閉
弁を開弁して除霜運転する除霜運転手段と、この除霜運
転の終了後、上記貯湯運転へ復帰したときの上記圧縮機
の初期運転周波数の目標値を、除霜運転開始前の運転周
波数に所定の係数を乗じた値に設定する手段と、を具備
してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項
に記載のヒートポンプ給湯器である。

【００２１】この発明によれば、バイパス路の開閉弁を
制御器により開弁させることにより、圧縮機からの高温
高圧のガス状冷媒を水熱交換器はバイパスさせて直接室
外空気熱交換器内へ導入して加熱除霜するので、その除
霜を短時間で行なう（クイック除霜）ことができる。ま
た、この除霜運転は冷凍サイクルのいわゆる反転除霜に
よる除霜ではないので、その反転除霜のように水熱交換
器を蒸発器（冷却器）として作用させて貯湯を冷却させ
ることもないので、貯湯を迅速かつ高効率で昇温させる
ことができる。

【００２２】さらに、貯湯運転から貯湯運転に復帰させ
るときは、圧縮機を、その初期運転周波数の目標値を、
除霜運転開始前の運転周波数の乗数倍の高い周波数で運
転するので、貯湯の昇温を迅速に行なうことができる。

【００２３】請求項６の発明は、上記制御器は、上記冷
凍サイクルを少なくとも収容するケースに設置されてい
ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載
のヒートポンプ給湯器である。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１〜
図８に基づいて説明する。これらの図中、同一または相
当部分には同一符号を付している。

【００２５】図１は本発明の一実施形態に係るヒートポ
ンプ給湯器２１の全体構成を示すブロック図である。こ
のヒートポンプ給湯器２１は水を図中矢印方向に循環さ
せる水回路３１と、この水回路３１を循環する水を加熱
する加熱媒体としての冷媒を図中矢印方向に循環させる
ヒートポンプ式冷凍サイクル４１とを備えている。

【００２６】冷凍サイクル４１は、図示しないインバー
タにより運転周波数を制御することにより単位時間当り
の回転数（回転速度）が制御自在で能力可変の圧縮機４
２、水熱交換器４３の第１（一次側）の熱交換管４３
ａ、電動弁等よりなる流量調整自在の膨張弁である流量
制御弁４４、室外等に設置される空気熱交換器４５を冷
媒配管４６によりこの順に順次接続して冷媒を循環させ
る閉じたループを構成している。また、圧縮機４２の吐
出側と空気熱交換器４５の冷媒入口側とは除霜バイパス
路４７により連通させており、この除霜バイパス路４７
の途中には電磁二方弁等よりなる除霜バイパス弁４８を
介装している。

【００２７】また、空気熱交換器４５には空気と冷媒と
の熱交換を促進させるための能力可変の室外ファン４５
ａを設ける一方、水熱交換器４３には、冷媒の凝縮温度
（熱交中間温度）Ｔｃを検出する凝縮温度センサ４３ｃ
を設け、水熱交換器４３の出口側近傍の水回路３１に、
その水出口温度Ｔｗｏｕｔを検出する熱交出口水温セン
サ４３ｄを設けている。さらに、室外空気熱交換器４５
には冷媒蒸発温度Ｔ_Ｅを検出する蒸発温度センサ４５
ｂ、室外温度を検出する室外温度センサ４５ｃ、さら
に、圧縮機４２には、その吸込側に吸込温度Ｔｓを検出
する吸込温度センサ４２ａを設けている。

【００２８】そして、これら吸込温度センサ４２ａ、蒸
発温度センサ４５ｂ、凝縮温度センサ４３ｃ、圧縮機４
２、膨張弁４４、除霜バイパス弁４８、室外ファン４５
ａを図示しない信号線により制御器４９に電気的に接続
している。

【００２９】一方、水回路３１は、上記水熱交換器４３
の冷媒を通す一次側熱交換管４３ａと熱交換自在の水を
通す二次側熱交換管４３ｂの水出口側に、貯湯タンク３
２の上部の水入口と給湯口を兼用した水出入口３２ａを
水配管３３ａにより接続する一方、この貯湯タンク３２
の底部の水出口３２ｂに流量可変のポンプ３４の吸込口
を水配管３３ｂにより接続し、このポンプ３４の吐出口
を水配管により水熱交換器４３の一次側熱交換器４３ｂ
の水入口に接続して貯湯タンク３２内の貯湯（または貯
水）を、図中矢印方向に循環させる閉じたループを構成
している。ポンプ３４は、貯湯運転中は例えば電力料金
が割安の深夜時間帯の約８時間で貯湯タンク３２内の貯
湯（水）を一巡させる能力を備えている。

【００３０】貯湯タンク３２は、その上部の湯出入口３
２ａに接続した二股分岐管の一分岐端を水熱交換器４３
の出口水路側に接続する一方、他の分岐端を給湯管３５
に接続している。一方、貯湯タンク３２の底部には、給
水管３６に接続された受水口３２ｃと、貯湯タンク３２
内の貯水ないし貯湯を供給する水出口３２ｂとを形成
し、この水出口３２ｂに上記水配管３３ｂを介してポン
プ３４の吸込口に接続している。

【００３１】また、貯湯タンク３２内の底部には貯湯タ
ンク３２内の貯水（貯湯含む）の温度Ｔｗｉｎを検出す
る底部水温センサ３７を設けている。

【００３２】このように構成された貯湯タンク３２は貯
湯槽ケーシング３８ａ内に収容されて貯湯槽３８に構成
され、この貯湯槽ケーシング３８ａには貯湯タンク制御
器である貯湯槽制御器３９を配設している。貯湯槽制御
器３９は、例えばマイクロプロセッサ等からなり、リモ
ートコントローラ５０と制御信号等を双方向で通信自在
に構成され、例えばリモートコントローラ５０からの貯
湯運転開始指令信号を受信したとき、または貯湯槽制御
器３９の内蔵クロックにより電力料金が割安の深夜時間
帯が開始される時刻（例えば午後１１時）を計時したと
きに、貯湯運転開始指令信号を図示しない信号線を介し
て、または赤外線等の無線で制御器４９に転送または送
信するように構成されている。また、貯湯槽制御器３９
は底部水温センサ３７から読み込んだ水温検出値Ｔｗｉ
ｎを制御器４９に転送する機能を備えている。

【００３３】制御器４９はマイクロプロセッサ等から構
成され、熱源機ケーシング５１ａに配設される。熱源機
ケーシング５１ａは、その内部に、上記圧縮機４２や室
外空気熱交換器４５等の冷凍サイクル４１を構成する各
装置と、水回路３１の水熱交換器４３、ポンプ３４およ
び水配管３３の一部を収容して熱源機５１に構成されて
いる。熱源機５１は一対の水配管３３ａ，３３ｂを介し
て貯湯槽３８に接続されている。

【００３４】制御器４９は、吸込側温度センサ４２ａ、
凝縮温度センサ４３ｃ、熱交出口水温センサ４３ｄ、蒸
発温度センサ４５ｂ、室外温度センサ４５ｃに図示しな
い信号線によりそれぞれ電気的に接続され、これら各セ
ンサの検出値を読み込む一方、ポンプ３４、圧縮機４２
の図示しないインバータ、室外ファン４５ｃ、除霜バイ
パス弁４８に図示しない信号線によりそれぞれ電気的に
接続され、これらを適宜制御するように構成されてい
る。

【００３５】すなわち、制御器４９は貯湯タンク３２内
の貯湯（貯水を含む）をポンプ３４の送水により水回路
３１に循環させて水熱交換器４３により加熱して目標温
度に昇温させて貯湯タンク３２内に貯蔵させて次の給湯
運転に待機する貯湯運転を実行するために必要な各種制
御機能と、この貯湯運転により蒸発器（冷却器）として
作用する室外空気熱交換器４５に着霜が発生したとき
に、この着霜を除霜するための除霜運転に貯湯運転を切
り換えるために必要な各種制御機能を備えている。つま
り、制御器４９は、水熱交換器４３の入口水温を所定値
に設定することにより、貯湯タンク３２内の貯湯温度を
所定値に設定して貯湯タンク３２内の貯湯が、その所定
温度まで昇温させる貯湯運転モードと、その貯湯運転時
に蒸発器として作用する室外空気熱交換器４５に着霜が
発生したときに、その貯湯運転を除霜運転に切り換える
運転モード制御手段、圧縮機４２の運転を制御する圧縮
機制御手段、ポンプ３４の運転を制御するポンプ制御手
段、流量制御弁４４の開度を制御する流量制御弁制御手
段、室外ファン４５ａの運転を制御する室外ファン制御
手段をそれぞれ備えている。

【００３６】図２はこれら制御器４９の各制御手段によ
り、貯湯運転する場合に、その運転開始時から貯湯温度
（Ｔｗｏｕｔ）が設定値でほぼ安定（一定）する安定時
を経て停止するまでの各段階において、上記圧縮機４
２、ポンプ３４、流量制御弁４４、室外ファン４５ａの
運転を制御するときのタイミングチャートを示してい
る。

【００３７】すなわち、制御器４９の運転モード制御手
段は、例えば貯湯運転開始操作が行なわれたリモートコ
ントローラ５０、あるいは所定の深夜時刻を計時した貯
湯槽制御器３９からの貯湯運転開始指令信号を受信した
ときに、図１に示すように除霜バイパス弁４８を閉弁し
て圧縮機４２、水熱交換器４３、室外ファン４５ａの運
転を開始し、水熱交換器４３の入口水温を所定値に設定
することにより貯湯の沸き上げ温度の目標値を設定して
貯湯運転を開始する。

【００３８】この圧縮機４２の運転開始時の初期周波数
Ｈｚは圧縮機制御手段により次の（１）式から求められ
る。

【００３９】

【数１】 Ｈｚ＝−２＊Ｔｗｉｎ＋９０ ……（１） 但し、Ｔｗｉｎ：底部水温センサ３７による水温検出値 すなわち、圧縮機制御手段は底部水温センサ３７からそ
の水温検出値を読み込み、その水温検出値が例えば６℃
の場合は次の（２）式により初期周波数Ｈｚは７８Ｈｚ
となる。

【００４０】

【数２】 −２×６＋９０＝７８（Ｈｚ） ……（２）

【００４１】この初期周波数は貯湯運転の進行に伴って
漸次昇温する水温検出値Ｔｗｉｎに基いて所定時間毎、
例えば１分間毎に段階的に上昇させ、次の運転開始時解
除条件のいずれかが充足したと判断した後に所定の周波
数一定で運転する。この運転開始時解除条件としては、
運転開始から１０分経過し、かつ（ＡＮＤ）冷凍サイ
クル４１のスーパーヒート量ＴＳＨ＞設定スーパーヒー
ト量ＴＳＨＯ−１が成立する場合と、運転開始から２
０分経過する場合と、がある。ここでスーパーヒート量
ＴＳＨ、設定ＴＳＨＯとは以下の通りである。

【００４２】すなわち、スーパーヒート量ＴＳＨは、次
の（３）式により求めることができる。

【００４３】

【数３】

【００４４】一方、設定スーパーヒート量ＴＳＨＯは圧
縮機４２の実際の運転周波数により例えば次の表１のよ
うに設定される。

【００４５】

【表１】

【００４６】そして、圧縮機制御手段は、この貯湯運転
時に、上記運転開始時解除条件が充足したことを検出す
ると、図２で示す安定時の制御に移行する。

【００４７】すなわち、圧縮機制御手段は所定の制御時
間（例えば６０秒）毎に、次の（４）式に示すように熱
交出口水温Ｔｗｏｕｔと設定温度Ｔｓｃとの偏差Ｅおよ
び変化量ΔＥ（今回のＴｗｏｕｔの値と前回６０秒前の
Ｔｗｏｕｔの値の差）を計算し、これらＥとΔＥから例
えば次の表２で示す制御規則表から求まる値に０．５を
乗算して周波数指令信号ｆｉの補正値Δｆｉを求め、現
在の周波数指令信号ｆｉを補正する。

【００４８】

【数４】

【００４９】

【表２】

【００５０】そして、次の（５）式に示すようにこうし
て今回求めた補正値Δｆｉ（ｎ）を前回の周波数指令ｆ
ｉ（ｎ−１）に加算して今回の周波数指令信号ｆｉ
（ｎ）を求める。

【００５１】

【数５】

【００５２】また、上記周波数指令信号ｆｉの補正は例
えば６０秒の制御時間毎に補正を行なう。すなわち、図
３に示すように偏差Ｅは制御器４９により常時読み込ん
でいるが、６０秒毎に決定する変化量ΔＥと、そのとき
の偏差Ｅにより制御出力表により６０秒毎に、周波数指
令補正量Δｆｉ（ｎ）を決定する。但し、設定温度が変
更された時は、そのときの偏差Ｅ´と前回から設定温度
が変更された時間までの変化量ΔＥ´に基いて求められ
た周波数指令補正量Δｆｉ（ｎ）で制御する。

【００５３】一方、図２に示すようにポンプ制御手段
は、ポンプ３４を、その吐出流量が所定時間（例えば１
分間）毎に例えば０．２Ｌ／ｍｉｎ、０．６Ｌ／ｍｉ
ｎ、１．０Ｌ／ｍｉｎのように段階的に増大するように
制御し、この後は安定時を含めて例えば１．０Ｌ／ｍｉ
ｎ等の一定流量で運転する。

【００５４】流量制御弁開示制御手段は、貯湯運転開始
時に、所定数の制御パルスを流量制御弁４４に与えて、
その開度を所定の初期開度に制御し、その初期開度を所
定時間継続させた後、安定時までは冷凍サイクル４１の
スーパーヒートＴＳＨ量が所定値で一定となるようにス
ーパーヒート制御を行なう。

【００５５】また、流量制御弁開度制御手段は、流量制
御弁４４の開度を、次の表３に示すように制御時間ＴＭ
毎に設定値（開度）との偏差ＳＨと、前回偏差と今回偏
差との偏差ΔＳＨとに基いて補正する。この偏差ＳＨは
次の（６），（７）により求められ、表３は、ＳＨが−
５〜５、ΔＳＨが−３〜３の１１×７要素とする。

【００５６】

【数６】

【００５７】

【表３】

【００５８】なお、流量制御弁４４の開度制御時間ＴＭ
は圧縮機４２の実運転周波数（Ｈｚ）に応じて例えば次
の表４に示すように設定される。

【００５９】

【表４】

【００６０】そして、制御器４９の室外ファン制御手段
は圧縮機４２の運転（ＯＮ）のときに室外ファン４５ａ
を運転（ＯＮ）し、圧縮機４２が停止（ＯＦＦ）のとき
には室外ファン４５ａの運転も停止させる。また、室外
ファン制御手段は圧縮機４２の運転周波数と室外温度
（外気温）Ｔｏｕｔに応じて室外ファン４５ａの回転数
（ｒｐｍ）を制御する機能を備えており、例えばヒート
ポンプ貯湯運転における除霜復帰時の室外ファン４５ａ
のファンタップｆ１〜ｆ８は下記の表５の通りであり、
表６のように外気温Ｔｏｕｔの検出値に応じてファンタ
ップが予め設定されている。また、表６中、圧縮機４２
の運転周波数が２４〜５４Ｈｚのときの室外ファン４５
ａの回転数（ｒｐｍ）は例えば次の表７に従う。

【００６１】

【表５】

【００６２】

【表６】

【００６３】

【表７】

【００６４】そして、制御器４９は貯湯槽制御器３９と
リモートコントローラ５０の少なくともいずれから沸き
上げ停止指令信号を受信したとき、または底部水温セン
サ３７により検出した検出値が設定値に達したと判断し
たときに、貯湯運転を停止させる機能を備えている。す
なわち、図２に示すように制御器４９は圧縮機４２、ポ
ンプ３４、室外ファン４５ａの各運転を停止させると共
に、流量制御弁４４を停止開度に制御して貯湯運転を停
止させる機能を備えている。

【００６５】図４は上記貯湯運転時に、底部水温センサ
３７により検出した入口水温Ｔｗｉｎの上昇または下降
に連動して貯湯温度の設定値Ｔｓｃを制御器４９により
段階的に制御する状態を示しており、図４中上向き矢印
は入口水温Ｔｗｉｎの昇温を示し、下向き矢印はその降
温を示している。

【００６６】例えば貯湯運転中に水熱交換器４３のＴｗ
ｉｎが１９℃から１８℃へ低下したことを制御器４９に
より検出した場合は貯湯温度設定値Ｔｓｃを７８℃から
８１℃に制御する。一方、入口水温Ｔｗｉｎが１９℃か
ら２０℃へ上昇した場合は貯湯温度設定値Ｔｓｃを８１
℃から７８℃へ制御する。このために、圧縮機４２の運
転周波数を大きく変化させることなく、安定した制御を
行なうことができる。

【００６７】そして、貯湯運転が継続すると、貯湯タン
ク３２内には、その上部から徐々に設定温度（例えば８
７℃）の湯が上から溜まって行き、底部水温センサ３７
により所定の設定水温（例えば３０℃）に達したとき
に、貯湯タンク３２内がほぼ貯湯設定温度（８７℃）の
貯湯で満たされていると判断して貯湯運転を停止させ
る。

【００６８】図５はこの貯湯運転の開始から終了までの
熱交出口温度（貯湯温度）Ｔｗｏｕｔ、熱交中間温度
（凝縮温度）Ｔｃ、底部水温Ｔｗｉｎ、スーパーヒート
量ＴＳＨの変化をそれぞれ示しており、貯湯運転開始
後、凝縮温度、すなわち熱交中間温度Ｔｃを約６０℃程
度に保った状態で貯湯設定温度（例えば８７℃）の貯湯
を短時間で貯湯タンク３２内に貯蔵することができる点
を示している。

【００６９】図６はこのように構成されたヒートポンプ
給湯器２１の除霜運転時の冷凍サイクル４１の冷媒と、
水回路３１の水の循環方向を矢印で示している。

【００７０】すなわち、貯湯運転時には室外空気熱交換
器４５が冷媒の蒸発器として作用し、室外に設置されて
いるので、室外温度センサ４５ｃにより検出される外気
温Ｔｏｕｔの条件によっては室外空気熱交換器４５ｃに
着霜が発生して熱交換能力を低下させる。そこで、制御
器４９は低下量検出方式により除霜開始条件が充足する
と判断したときに、貯湯運転から除霜運転に切り換え
る。この低下量検出方式は貯湯安定開始、または前回除
霜運転終了時から積算された圧縮機４２の運転時間が所
定時間に達したときに室外温度センサ４５ｃにより検出
された室外熱交温度（蒸発温度検出値）ＴＥとその低下
量ＴＥＯとに基いて除霜実施条件を決定する。

【００７１】すなわち、まず低下量ＴＥＯを検出する
が、その検出方法には次の２方法がある。

【００７２】（１）まず、貯湯運転開始後、上記運転開
始時解除条件が充足された後、所定時間（例えば５分
間）経過した時点から５分間、室外熱交温度（蒸発温
度）ＴＥを検出し、その最低値をＴＥＯとする。

【００７３】（２）あるいは除霜終了後は、除霜終了検
出時より１０分経過時より１５分までの５分間に検出し
た蒸発温度ＴＥの最低値をＴＥＯとする。

【００７４】次の表８はこれら蒸発温度検出値ＴＥ，Ｔ
ＥＯに基いて除霜実施条件をＡ，Ｂ，Ｃゾーンとして求
めるものであり、これら各ゾーンＡ〜Ｃは図７で示す蒸
発温度検出値ＴＥと前回除霜運転終了時からの経過時間
とに基づいて求められる。

【００７５】

【表８】

【００７６】したがって、例えば蒸発温度検出値ＴＥが
−２０℃以下のときは表８のＢゾーンに属するので、表
８に示すように除霜運転は前回の除霜運転終了時から例
えば３０分経過後から約４分間運転される。

【００７７】そして、この除霜開始条件を充足したと
き、制御器４９は除霜バイパス弁４８を開弁し、圧縮機
４２から吐出された高温高圧のガス状冷媒を、水熱交換
器４３と流量制御弁４４はバイパスさせて除霜バイパス
路４７を通して直接空気熱交換器４５に導入し、ここで
凝縮液化する冷媒の凝縮熱により空気熱交換器４５を加
熱し、着霜を加熱融霜して除霜するようになっている。
この除霜運転は制御器４９により後述する除霜終了条件
が充足されたと判断されるまで続行される。

【００７８】この除霜完了検出手段は吸込温度センサ４
２ａにより検出した圧縮機４２の吸込側温度の検知温度
が、例えば２．５℃以上で８０秒継続するか、または、
その検知温度が５℃以上になるか、または、除霜運転が
１０分以上継続した場合に、除霜運転が完了したものと
判断し、その判断後、除霜バイパス弁４８を図１に示す
ように再び閉弁して除霜運転から再び貯湯運転へ復帰さ
せるように構成されている。

【００７９】図８はこのヒートポンプ給湯器２１の除霜
運転時の制御器４９による制御を示すタイミングチャー
トである。すなわち、制御器４９は上記除霜開始条件を
充足したと判断すると、着霜検出として、その着霜検出
から所定時間（例えば２０秒）後、これまで全閉中の除
霜バイパス弁４８を開弁（ＯＮ）させる一方、運転中の
ポンプ３４、室外ファン４５ａの運転を停止（ＯＦＦ）
させ、圧縮機４２の運転周波数を所定の除霜運転周波数
Ｈｚで運転する一方、流量制御弁４４の開度を所定の除
霜開度に制御して上記スーパーヒート量一定制御を行な
う。なお、この除霜運転中に何らかの異常により圧縮機
４２の運転が停止したときには、除霜運転時間のカウン
トを停止する。

【００８０】そして、この除霜運転は、その開始後、所
定時間、例えば１０分経過した時、または吸込温度セン
サ４２ａにより検出された吸込温度検出値ＴＳがＴＳ≧
５℃を成立させたとき、あるいは５℃≧ＴＳ≧３℃が８
０秒継続したときに除霜終了条件が充足したと判断して
除霜運転を終了させる。

【００８１】図８に示すように除霜運転終了は除霜バイ
パス弁４８の閉弁と、ポンプ３４、室外ファン４５ａの
各運転再開とにより実施され、その除霜運転終了後は再
び貯湯運転に復帰する。このとき、室外ファン４５ａは
貯湯運転の開始から一定の回転数（ｒｐｍ）で運転され
るが、ポンプ３４と圧縮機４２は、その運転周波数を所
定時間（例えば１分間経過）毎に所定周波数上昇させ
る。この除霜運転終了後の圧縮機４２の初期目標運転周
波数は、除霜運転開始前周波数に所定の係数（例えば
０．９）を乗じた値とする。このように目標周波数を高
く設定して貯湯運転を再開するので、短時間で貯湯設定
温度（例えば８７℃）に昇温した貯湯を貯湯タンク３２
に貯蔵することができる。

【００８２】次に、このように構成されたヒートポンプ
給湯器２１の作用を説明する。

【００８３】まず、図１に示すように冷凍サイクル４１
側を貯湯運転すると、圧縮機４２により圧縮された高温
高圧のガス状冷媒が水熱交換器４３の一次側熱交換管４
３ａ内を通ることにより凝縮液化して放熱し、この凝縮
熱（放熱）により水熱交換器４４の二次側熱交換管４４
ｂ内を通水する水が加熱される。

【００８４】一方、この水熱交換器４３で凝縮液化した
液冷媒は所定開度の流量制御弁４４を通る際に減圧され
ると共に、冷媒流量が適宜流量に制御されて空気熱交換
器４５内に流入し、ここで蒸発して外気から吸熱してガ
ス状冷媒の状態で再び圧縮機４２内へ、その吸込側から
戻され、再び圧縮機４２で圧縮されて水熱交換器４３内
へ流入して凝縮液化し、その凝縮熱により二次側熱交換
管４３ｂの通水を加熱し、以下これの繰返しにより水熱
交換器４３の二次側熱交換管４３ｂの通水が漸次高温水
に加熱される。

【００８５】この水熱交換器４３で加熱された温水
（湯）は、その水出口から出て給湯タンク３２内へ、そ
の上部の水出入口３２ａから供給され貯蔵される。

【００８６】さらに、この給湯タンク３２内の貯湯は、
その底部の水出口３２ｂから流量可変のポンプ３４内へ
吸い込まれ、ここで昇圧されてから再び水熱交換器４３
の二次側熱交換管４３ｂ内を通水し、その通水の際に、
再び一次側熱交換管４３ａ内を通る高温高圧のガス状冷
媒の凝縮熱により加熱されて温水温度をさらに高めて給
湯タンク３２内へ、その上部の湯出入口３２ａから供給
される。以下、これの繰返しにより貯湯タンク３２内の
貯湯温度が漸次目標温度まで昇温されたときに貯湯運転
が停止され、給湯運転に備える。そして、給湯運転時に
は、給湯タンク３３内の給湯が給湯管３５を介して被給
湯部へ給湯される。

【００８７】そして、このような貯湯運転中は空気熱交
換器４５が室外に設置されるうえに蒸発器（冷却器）と
して作用するので、この空気熱交換器４５に着霜が発生
する場合がある。このとき制御器４９により上記除霜開
始条件が充足されたと判断すると、この制御器４９によ
り除霜バイパス弁４８を開弁して貯湯運転から除霜運転
に切り換える。

【００８８】すると、圧縮機４２からの高温高圧のガス
状冷媒が水熱交換器４３はバイパスして空気熱交換器４
５内に直接流入して凝縮液化して放熱するので、その放
熱により空気熱交換器４５の着霜を加熱し、ここで融霜
することにより除霜することができる。

【００８９】さらに、この空気熱交換器４５で凝縮した
冷媒は、圧縮機４２へ、その吸込側から戻され、以下、
これの繰返しにより空気熱交換器４５の着霜が除霜され
る。このとき制御器４９により上記除霜終了条件が充足
したと判断すると、この制御器４９により除霜バイパス
弁４８を閉じて除霜運転を終了させ、冷凍サイクル４１
を再び貯湯運転に復帰させる。

【００９０】この貯湯運転への復帰により、上記貯湯運
転が再び繰り返され、貯湯タンク３２内の貯湯の温度が
所定値に達すると、水熱交換器４３の入口水温を検出す
る底部水温センサ３７により所定の設定温度（例えば３
０℃）Ｔｗｉｎを検出するので、貯湯タンク３３内の貯
湯が所定の設定温度（例えば８７℃）に達したものと判
断して圧縮機４２やポンプ３４、室外ファン４５ａの運
転を停止させて貯湯運転を終了させ、給湯運転に備えて
待機する。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、リモート
コントローラで貯湯運転を開始させるための所要の操作
を行なうことにより、または、貯湯タンク制御器が予め
設定した電力料金が割安の深夜時間帯の開始時刻を計時
すること等によりこれらリモートコントローラまたは貯
湯タンク制御器から貯湯運転開始指令信号が制御器に与
えられると、所定の沸き上げ温度に昇温された貯湯運転
を開始させることができる。

【００９２】また、圧縮機、ポンプおよび室外ファンが
共に能力可変であって、流量制御弁の開度が制御自在で
あり、これらをヒートポンプ給湯器の貯湯運転開始時、
その貯湯運転の継続により貯湯温度が安定する安定時
に、それぞれの運転条件に適合した能力で制御して制御
の最適化を図っているので、この貯湯運転のみで貯湯タ
ンク内の貯湯の温度を目標温度の高温まで沸き上げるこ
とができ、貯湯運転効率を向上させることができる。

【００９３】さらに、貯湯タンク制御器またはリモート
コントローラからの貯湯運転停止信号により、または貯
湯タンク内の水温センサの検出値が所定の貯湯温度を検
出したときに貯湯運転を自動的に停止させることができ
る。

【００９４】さらにまた、バイパス路の開閉弁を制御器
により開弁させることにより、圧縮機からの高温高圧の
ガス状冷媒を水熱交換器はバイパスさせて直接室外空気
熱交換器内へ導入して加熱除霜するので、その除霜を短
時間で行なう（クイック除霜）ことができる。また、こ
の除霜運転は冷凍サイクルのいわゆる反転除霜による除
霜ではないので、その反転除霜のように水熱交換器を蒸
発器（冷却器）として作用させて貯湯を冷却させること
もないので、貯湯を迅速かつ高効率で昇温させることが
できる。

【００９５】さらに、貯湯運転から貯湯運転に復帰させ
るときは、圧縮機を、その初期運転周波数の目標値を、
除霜運転開始前の運転周波数の乗数倍の高い周波数で運
転するので、貯湯の昇温を迅速に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るヒートポンプ給湯器
の貯湯運転時の状態を示すブロック図。

【図２】図１で示すヒートポンプ給湯器の貯湯運転時の
制御方法を示すタイミングチャート。

【図３】図１で示すヒートポンプ給湯器の制御器により
求められる制御時間（６０秒）毎の熱交出口水温とその
設定温度との偏差Ｅとその変化量ΔＥとの関係を示す
図。

【図４】図１で示す底部水温センサにより検出された水
温検出値Ｔｗｉｎの変化に応じて貯湯温度目標値Ｔｓｃ
を制御する状態を示す模式図。

【図５】図１で示すヒートポンプ給湯器の貯湯運転開始
から停止までの熱交出口温度Ｔｗｏｕｔ、熱交中間（凝
縮）温度Ｔｃ、貯湯タンク底部水温Ｔｗｉｎ、スーパー
ヒート量ＴＳＨの各々の変化を示すグラフ。

【図６】図１で示すヒートポンプ給湯器の除霜運転時の
状態を示すブロック図。

【図７】図１で示すヒートポンプ給湯器の複数の除霜運
転ゾーンをそれぞれ示すタイミングチャート。

【図８】図１で示すヒートポンプ給湯器の除霜運転時の
制御方法を示すタイミングチャート。

【図９】従来のヒートポンプ給湯器の構成を示すブロッ
ク図。

【図１０】図９で示す従来のヒートポンプ給湯器の貯湯
タンク内水温と凝縮温度の変化をそれぞれ対比して示す
グラフ。

【符号の説明】 ２１ ヒートポンプ給湯器 ３１ 水回路 ３２ 貯湯タンク ３２ａ 水出入口 ３２ｂ 水出口 ３２ｃ 受水口 ３３，３３ａ，３３ｂ 水配管 ３４ ポンプ ３５ 給湯管 ３６ 給水管 ３７ 底部水温センサ ３８ 貯湯槽 ３８ａ 貯湯槽ケーシング ４１ 冷凍サイクル ４２ 圧縮機 ４２ａ 吸込温度センサ ４３ 水熱交換器 ４３ｃ 凝縮温度センサ ４４ 流量制御弁 ４５ 空気熱交換器 ４５ａ 室外ファン ４５ｂ 蒸発温度センサ ４６ 冷媒配管 ４７ 除霜バイパス路 ４８ 除霜バイパス弁 ４９ 制御器 ５０ リモートコントローラ ５１ 熱源機 ５１ａ 熱源機ケーシング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２５Ｂ 49/02 ５２０ Ｆ２５Ｂ 49/02 ５２０Ｈ (72)発明者 松本 勇司 静岡県富士市蓼原336番地 東芝キヤリア 株式会社内 (72)発明者 明神 一寿 静岡県富士市蓼原336番地 東芝キヤリア エンジニアリング株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 能力可変の圧縮機、水熱交換器の第１の
   熱交換管、流量制御弁、回転数可変の室外ファンを備え
   た室外空気熱交換器を順次接続する一方、上記圧縮機の
   吐出側と上記室外空気熱交換器の冷媒入口側とをバイパ
   ス路により連通し、このバイパス路に開閉弁を介在させ
   て冷媒を循環させる冷凍サイクルと、 上記水熱交換器の第１の熱交換管と熱交換自在の第２の
   熱交換管の水出口を水配管により貯湯タンクの上部に接
   続する一方、この貯湯タンクの下部に流量可変のポンプ
   と上記第２の熱交換管の水入口を水配管により順次接続
   することにより水を循環させる水回路と、 上記貯湯タンク内下部に設置されてこの貯湯タンク内の
   水温を検出する水温センサと、 上記貯湯タンクに設けた貯湯タンク制御器またはリモー
   トコントローラからの貯湯運転開始指令信号を受信した
   ときに貯湯運転を開始させる一方、上記水温センサによ
   り検出された水温に基づいてこの貯湯タンク内の貯湯の
   沸き上げ温度を設定する制御器と、を具備していること
   を特徴とするヒートポンプ給湯器。
2. 【請求項２】 上記制御器は、 貯湯運転開始時の上記圧縮機の初期運転周波数を上記水
   温センサの水温検出値に基いて決定して圧縮機の回転数
   を制御する圧縮機制御手段と、 貯湯運転開始から上記ポンプの流量を漸次所定流量まで
   増大させるようにポンプを制御するポンプ制御手段と、 貯湯運転開始時、上記流量制御弁の初期開度を所定時間
   継続させた後、上記圧縮機の吸込側温度と上記室外空気
   熱交換器の蒸発温度との差が所定値で一定となるように
   流量制御弁の開度を制御する流量制御弁開度制御手段
   と、 上記室外空気熱交換器の室外ファンの単位時間当りの運
   転回転数を上記圧縮機の運転周波数と室外温度とに基い
   ていて制御する室外ファン制御手段と、を具備している
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯器。
3. 【請求項３】 上記圧縮機制御手段は、貯湯運転開始
   後、所定の制御時間毎に上記水熱交換器の水出口側の水
   出口温度と上記貯湯の沸き上げ温度設定値との偏差と、
   この偏差の変化量を算出し、これら偏差とその変化量と
   から上記圧縮機の運転周波数の補正量を求め、現在の運
   転周波数をこの補正量により補正する圧縮機運転周波数
   補正機能を有し、 上記ポンプ制御手段は、貯湯運転開始後、ポンプ流量を
   所定流量で維持するように制御する機能を有し、 上記流量制御弁開度制御手段は、貯湯運転開始後、上記
   冷凍サイクルの圧縮機吸込側温度と室外空気熱交換器の
   蒸発温度との差であるスーパーヒート量が所定値で一定
   となるように流量制御弁の開度を制御する機能を有し、 室外ファン制御手段は、貯湯運転開始後、上記圧縮機の
   運転周波数と室外温度に応じて室外ファンの回転数を制
   御する機能を有することを特徴とする請求項２記載のヒ
   ートポンプ給湯器。
4. 【請求項４】 上記制御器は、上記貯湯タンク制御器ま
   たはリモートコントローラからの貯湯運転停止指令信号
   を受信したときに、貯湯運転を停止させ、あるいは上記
   水温センサにより検出した水温検出値に基いて貯湯運転
   を停止させる機能を有することを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯器。
5. 【請求項５】 上記制御器は、 上記ポンプの運転を停止させると共に、上記バイパス路
   の開閉弁を開弁して除霜運転する除霜運転手段と、この
   除霜運転の終了後、上記貯湯運転へ復帰したときの上記
   圧縮機の初期運転周波数の目標値を、除霜運転開始前の
   運転周波数に所定の係数を乗じた値に設定する手段と、
   を具備してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
   か１項に記載のヒートポンプ給湯器。
6. 【請求項６】 上記制御器は、上記冷凍サイクルを少な
   くとも収容するケースに設置されていることを特徴とす
   る請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給
   湯器。