JP2001263801A

JP2001263801A - ヒートポンプ式給湯装置

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Publication number: JP2001263801A
Application number: JP2000084532A
Authority: JP
Inventors: Mikihiko Kuroda; 幹彦黒田; Hiroshi Nakayama; 浩中山
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-09-26
Anticipated expiration: 2020-03-24
Also published as: JP3518475B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡素な制御構成でもって高圧圧力を制御で
き、そのため圧縮機の信頼性を維持することが可能なヒ
ートポンプ式給湯装置を提供する。【解決手段】圧縮機４１の吐出側の圧力を検出する圧
力検出手段４３を設け、この検出圧力が基準圧力以上に
なったときに、上記目標吐出温度を低下させる。具体的
には、外気温度に対応して目標吐出温度を定めた運転モ
ードを複数記憶しておき、特定の運転モードでの運転中
に、検出圧力が基準圧力以上になったときに、高外気温
側の運転モードにシフトさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ヒートポンプ式
給湯装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】貯湯タンクと水熱交換器とを備え、貯湯
タンク内の湯水と冷媒回路を流通する冷媒との間の熱交
換を上記水熱交換器で行うよう構成したヒートポンプ式
給湯装置が、従来から用いられている。このようなヒー
トポンプ式給湯装置では、冷媒回路中に設けられた空気
熱交換器を蒸発器として機能させると共に水熱交換器を
凝縮器として機能させることにより給湯運転を行うこと
が可能である。そして上記給湯運転を効率よく行うため
に、深夜電力を利用して深夜時間帯に貯湯タンク内の全
量の沸上げを行う。また、それ以外の時間帯等において
は、減少湯量に応じて、随時追焚き運転を行って、必要
な湯量を確保するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで近年、ヒート
ポンプ式給湯装置においては、冷媒として二酸化炭素、
エチレン、エタン、酸化窒素等の超臨界で使用する冷媒
を用いて、８５°Ｃ程度の高温給湯を行おうとする試み
がなされている。このように超臨界で冷凍サイクルを形
成するシステムにおいては、あらゆる環境にて適切な高
圧を維持するのが難しいという問題がある。例えば、冬
から夏に至る運転モード中には、空気熱交換器側の温度
が−１０°Ｃ〜４３°Ｃ、また給水温度が５°Ｃ〜２５
°Ｃというように大きく変化するが、このような変化に
対して、冷凍サイクルが図４に示すように変化する。特
に、圧縮機の吐出ガス温度が目標温度に近づくように圧
縮機の駆動周波数を制御して吐出ガス温度を一定にした
としても、超臨界領域においては、図４からも明らかな
ように、等温線が急激に立上っているため、吐出圧力は
大幅に変動してしまう。そのため、場合によっては、圧
縮機からの吐出圧力が設計圧力を超えた運転状態となっ
てしまい、圧縮機の信頼が確保できないという問題が生
じる。

【０００４】この発明は、上記従来の欠点を解決するた
めになされたものであって、その目的は、簡素な制御構
成でもって高圧圧力を制御でき、そのため圧縮機の信頼
性を維持することが可能なヒートポンプ式給湯装置を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで請求項１のヒート
ポンプ式給湯装置は、圧縮機４１、凝縮器として機能す
る水熱交換器４４、減圧機構４５、蒸発用熱交換器４６
を有するヒートポンプシステムと、上記水熱交換器４４
にて加熱された温湯を貯留する貯湯タンク１とを備え、
上記圧縮機４１の吐出ガス温度を目標吐出温度に近づけ
るべく制御するヒートポンプ式給湯装置であって、圧縮
機４１の吐出側の圧力を検出する圧力検出手段４３を設
け、この検出圧力が基準圧力以上になったときに、上記
目標吐出温度を低下させることを特徴としている。

【０００６】上記請求項１のヒートポンプ式給湯装置で
は、検出圧力が基準圧力以上になったときに、目標吐出
温度を低下させることで高圧圧力を制御しているので、
簡素な制御構成でもって、確実な高圧制御が行える。

【０００７】また請求項２のヒートポンプ式給湯装置
は、外気温度に対応して目標吐出温度を定めた運転モー
ドを複数の外気温度について記憶しておき、特定の運転
モードでの運転中に、検出圧力が基準圧力以上になった
ときに、高外気温側の運転モードにシフトさせるべく構
成したことを特徴としている。

【０００８】上記請求項２のヒートポンプ式給湯装置で
は、運転モードをシフトさせることで高圧圧力を制御し
ているので、一段と簡素な制御構成でもって、確実な高
圧制御が行える。なお、高外気温側の運転モードにおい
ては、通常は給湯負荷が低いことから、目標吐出温度も
低く設定されているので、上記運転モードのシフトによ
り目標吐出温度も低下することになるのである。なお、
請求項２における「外気温度」とは、特定温度を意味す
ることもあるが、例えば、１０°Ｃ〜２０°Ｃというよ
うにある程度の幅を有する場合も含まれる。

【０００９】請求項３のヒートポンプ式給湯装置は、上
記ヒートポンプシステムにおける冷媒として、二酸化炭
素、エチレン、エタン、酸化窒素等の超臨界で使用する
冷媒を用いていることを特徴としている。

【００１０】上記請求項３のヒートポンプ式給湯装置で
は、超臨界においては、圧縮機からの吐出ガス温度を一
定にしたとしても、動作条件によって吐出圧力が大幅に
変動する特性を有するので、上記請求項１や請求項２の
ように、目標吐出温度を低下させることで高圧圧力を制
御する方式の有効性が一段と発揮される。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、この発明のヒートポンプ式
給湯装置の具体的な実施の形態について、図面を参照し
つつ詳細に説明する。

【００１２】まず、この発明の一実施形態の前提となる
ヒートポンプ式給湯装置の全体構成について説明する。
図１は、上記ヒートポンプ式給湯装置の水系統及び冷媒
系統を示す回路図である。このうち、まず水系統におけ
る風呂用回路について説明する。同図において１は貯湯
タンクであり、この貯湯タンク１には、温度検知手段で
ある３個のサーミスタ１１、１２、１３がそれぞれ異な
る高さに配置されている。具体的には、第１サーミスタ
１１、第２サーミスタ１２、第３サーミスタ１３の順
に、図における上部から下部に向かって所定の間隔を置
いて配置されている。また上記貯湯タンク１の底部に設
けられた給水口２には、給水圧を加えながら貯湯タンク
１に市水を供給するための給水配管３が接続されてお
り、上記給水配管３には、給水側から順に、逃し弁付き
減圧逆止弁７、及び凍結防止サーミスタ６がそれぞれ介
設されている。一方、上記貯湯タンク１の頂部に設けら
れた給湯口４には給湯配管８が接続されており、さらに
その先端がミキシングバルブ９の流入側９ａに接続され
ている。ここで、上記給湯配管８の貯湯タンク１側に
は、蒸気を外部へ逃がすための空気逃し弁２３と、水の
膨張分を逃がすための水逃し弁２４とがそれぞれ設けら
れている。また上記給水配管３の途中から分岐された給
水管１４も、上記ミキシングバルブ９の流入側９ａに接
続されており、このミキシングバルブ９で上記給湯配管
８からの給湯と給水管１４からの市水が、一定の割合で
混合されるように構成されている。一方、上記ミキシン
グバルブ９の流出側９ｂには分岐管１６が接続されてお
り、この分岐管１６を介して風呂用給湯管１７と出湯管
１８とに分岐される。そして、上記風呂用給湯管１７が
差し湯用電磁弁１９と逆止弁２１とを介して浴槽２２に
接続される一方、上記出湯管１８は出湯口に接続され
る。

【００１３】次に上記水系統における湯沸かし回路につ
いて説明する。図１に示すように、上記貯湯タンク１の
底部に設けられた取水口２６には、取水管２７が接続さ
れており、その先端が循環ポンプ２８を介して熱交換路
２９の入口側２９ａに接続されている。ここで上記熱交
換路２９は、以下で述べる冷媒回路の凝縮器として機能
する三重管式の水熱交換器４４と熱交換可能に設けられ
ており、上記循環ポンプ２８の作動によって熱交換路２
９の入口側２９ａから出口側２９ｂへと湯水が流通する
ように成っている。このとき、上記水熱交換器４４には
漏洩検知機３４が取り付けられている。また上記熱交換
路２９の出口側２９ｂには、出湯管３１が接続されてお
り、その先端が上記ミキシングバルブ９よりも貯湯タン
ク１側の給湯配管８に接続されている。そして、上記循
環ポンプ２８と熱交換路２９とを結ぶ取水管２７には、
電動比例弁３２と入水温度検知サーミスタ３３とが介設
されている。また、上記熱交換路２９から給湯配管８へ
と至る出湯管３１には、給湯温度検知サーミスタ３６と
逃し弁３７とがそれぞれ介設されている。なお、上記水
系統における風呂用回路及び湯沸かし回路は、それぞれ
制御手段（図示せず）によって制御されるが、この制御
手段はＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を有
するマイクロコンピュータを用いて構成されたものであ
る。

【００１４】一方、上記冷媒系統については、図１に示
すように圧縮機４１、水熱交換器４４、電動膨張弁４
５、空気熱交換器４６を順次冷媒配管５０ａ〜５０ｄで
接続することによって構成している。ここで、この実施
形態においては、上記冷媒に二酸化炭素（ＣＯ₂）冷媒
を使用した。さらに上記圧縮機４１の吐出側には吐出管
温度サーミスタ４２、及び圧力制御のための高圧圧力ス
イッチ（ＨＰＳ）４３が介設され、また上記空気熱交換
器４６とその近傍には、それぞれ空気熱交温度サーミス
タ４７と外気温度サーミスタ４８とが配設されている。
ところで上記冷媒回路には、除霜運転時に圧縮機４１か
ら吐出されるホットガスを空気熱交換器４６に供給する
ためのバイパス回路が形成されている。すなわち、図に
示すように、上記圧縮機４１の吐出側と水熱交換器４４
とを結ぶ冷媒配管５０ａから、除霜用電磁弁４９を介し
たバイパス配管５１を分岐させ、その先端を上記電動膨
張弁４５と空気熱交換器４６とを結ぶ冷媒配管５０ｃに
接続させることによって、上記バイパス回路を形成して
いる。またこの冷媒系統回路も、上記制御手段（図示せ
ず）によって制御されている。

【００１５】次に、上記構成のヒートポンプ式給湯装置
の運転動作のうちの風呂給湯運転について説明する。ま
ず、図１に示す貯湯タンク１内に温湯が貯溜された状態
において、差し湯用電磁弁１９を開弁する。すると、上
記給水配管３を流れる水の給水圧によって、貯湯タンク
１内に貯溜された約８５℃の温湯が押し上げられ、給湯
口４から給湯配管８を通ってミキシングバルブ９の流入
側９ａに流入する。このとき、上記給水配管３から分岐
された給水管１４を流通する水も上記ミキシングバルブ
９の流入側９ａに流入し、ここで上記水と温湯が一定の
割合で混合される。そして上記混合された約４０℃〜６
０℃の温湯は、ミキシングバルブ９の流出側９ｂから分
岐管１６を介して、一方は風呂用給湯管１７を流通して
浴槽２２に供給され、また一方は出湯管１８を流通して
出湯口に供給される。

【００１６】さらに、上記ヒートポンプ式給湯装置にお
ける湯沸かし運転について説明する。まず図１に示す差
し湯用電磁弁１９を閉弁した状態において、冷媒回路中
の圧縮機４１を駆動し、水熱交換器４４を凝縮器として
機能させると共に、空気熱交換器４６を蒸発器として機
能させる。次に、上記水系統回路における循環ポンプ２
８を作動させる。すると、貯湯タンク１の底部に設けた
取水口２６から貯溜水が流出し、これが取水管２７を介
して熱交換路２９を流通する。そのときこの水は凝縮器
として機能している水熱交換器４４によって加熱され、
出湯管３１及び給湯配管８を通って再び貯湯タンク１内
の上部へと返流される。そしてこのような動作を継続し
て行うことによって、貯湯タンク１の上端側から下端側
へと温湯が次第に貯溜されるように構成されている。こ
の湯沸かし運転は、通常は深夜時間帯に行い、給湯コス
トを低減するようにしている。

【００１７】ところで、上記に示したように、貯湯タン
ク１には３個のサーミスタ１１、１２、１３がそれぞれ
異なる高さ位置に配置されており、上記貯湯タンク１内
を３つに区分して湯温を検出できるようになっている。
具体的には、図における上方部から下方部に向かって、
最小残湯量を検知するための第１サーミスタ１１と、大
出湯を検知するための第２サーミスタ１２、最大貯湯量
を検知するための第３サーミスタ１３とがそれぞれ設け
られている。また、上記各サーミスタ１１、１２、１３
の検出信号は、図示しない上記制御手段であるＣＰＵに
それぞれ入力されるよう構成されており、上記ＣＰＵ
は、所定時間内に入力される各検出信号の温度変化から
適切な給湯運転制御を選択して、運転指令を発する機能
を有している。

【００１８】次に、上記ヒートポンプ式給湯装置の残湯
量の制御方法について説明する。まず、風呂給湯前のよ
うな通常の状態においては、上記で述べた湯沸かし運転
を行い、常に全量（例えば、２００リットルタンクであ
れば２００リットル）沸上げられた状態となるように制
御される。具体的には、貯湯タンク１の第３サーミスタ
１３で検知される湯温が、上記制御手段（図示せず）に
よって設定された設定温度以上、例えば８５℃以上にな
るまで追焚き運転される。一方、風呂給湯後のような給
湯負荷の小さくなった状態においては、貯湯タンク１内
に確保しておくべき湯量を、大出湯前に確保されていた
湯量よりも小とするような制御を行う。すなわち、上記
２００リットルタンクであれば、例えば５０リットルの
温湯を常に確保するような追焚き制御を行う。具体的な
制御方法としては、上記貯湯タンク１の第１サーミスタ
１１で検知される湯温Ｔ_Wが、基準温度Ｔ_th（例えば、
５０℃）よりも低くなれば上記追焚き運転を行い、設定
温度（例えば、８５°Ｃ）に達すれば運転を停止すると
いうような制御を繰り返し行うことによって、上記一定
の残湯量を維持するよう制御されるのである。

【００１９】次に、この発明の実施形態の特徴的な圧縮
機４１の高圧圧力制御について説明する。まず、図２に
圧縮機４１の周辺の模式図を示しているが、圧縮機４１
の吐出管３８には、上記した制御用高圧圧力スイッチ
（圧力検出手段）４３と、保護用高圧圧力スイッチ３９
と、吐出管温度サーミスタ４２とが取付けられている。
上記制御用高圧圧力スイッチ４３は、吐出ガス冷媒の圧
力が基準圧力以上になったときに作動して作動信号を出
力するものであり、また保護用高圧圧力スイッチ３９
は、吐出ガス冷媒の圧力が上記基準圧力よりもさらに高
い危険圧力以上になったときに作動して作動信号を出力
するものである。上記制御用高圧圧力スイッチ４３の作
動信号により、以下に説明する高圧圧力制御が行われ、
また上記保護用高圧圧力スイッチ３９の作動信号によ
り、圧縮機周波数の低下、圧縮機４１の運転停止等の保
護制御が行われる。上記吐出管温度サーミスタ４２は、
吐出管３８の温度を吐出ガス冷媒温度として検出するた
めのものである。また、上記制御手段（図示せず）に
は、以下に示す表１のような運転モードが記憶されてい
る。

【００２０】

【表１】

【００２１】上記運転モードは、想定される外気温度区
分に対応して「厳寒モード」「冬モード」「中間モー
ド」「夏モード」「過負荷モード」に区別され、また各
運転モードに対して「５〜１」のステップ番号が付与さ
れている。また、各運転モードに対しては、目標給湯温
度、目標運転周波数、目標吐出管温度がそれぞれ対応づ
けして与えられている。これら目標給湯温度、目標運転
周波数、目標吐出管温度は、一部例外はあるものの、全
体としては外気温度が高くなる程、小さな値が対応づけ
られている。これは、外気温度が上昇すれば、給湯負荷
が小さくなるはずであり、そのため給湯能力を低下さ
せ、沸上げ温度を低下させてもよいとの考え方に基づい
ている。そして実際の運転に際しては、外気温度区分
（季節）から該当するステップ番号を選択し、そのステ
ップ番号に対応する目標給湯温度、目標運転周波数、目
標吐出管温度がそれぞれ得られるような制御がなされ
る。

【００２２】次に、図３に示すフローチャートに基づい
て、高圧圧力制御の制御手順について説明する。まず、
ステップＳ１において、上記制御用高圧圧力スイッチ４
３が作動したか否かの判断をする。制御用高圧圧力スイ
ッチ４３が作動していなければ、吐出ガス冷媒圧力は基
準圧力よりも低いのであるから、特別な制御は行わず、
それまでの運転を継続する。一方、制御用高圧圧力スイ
ッチ４３が作動すれば、吐出ガス冷媒圧力は基準圧力以
上になったのであり、次のステップＳ２へと移行する。
ステップＳ２では、入水温度検知サーミスタ３３によっ
て検出した水熱交換器４４の入口での入水温度（図１参
照）が、設定値（例えば、３０°Ｃ）以上であるか否か
の判断を行う。設定値以上であれば、これは湯沸かし運
転が終了直前の状態であるから、ステップＳ３へと移行
して、湯沸かし運転の終了直前の沸上げ制御を行う。上
記水熱交換器４４の入口での入水温度が、設定値よりも
低ければ、これは通常の湯沸かし運転が行われているの
であるから、ステップＳ４へと移行する。このステップ
Ｓ４では、運転モードステップ番号を現在の状態から一
段だけ外気高温側へとシフトさせて運転を継続する。

【００２３】上記のようにステップ番号を外気高温側へ
とシフトさせると、それに伴って目標吐出管温度が低下
するので、それに応じて高圧圧力が低下することにな
り、高圧圧力のそれ以上の異常上昇が抑制される。この
ようにして高圧圧力制御を行うことが可能であるが、上
記制御方法によれば、高圧検知を高圧圧力スイッチ４３
という安価な構成で行うことができる。また、運転モー
ドを付与し、この運転モードに従ったオープン制御に近
い運転を行いながら、運転モードのシフトという簡単な
ロジックで高圧圧力制御が行えるので、制御構成が簡素
になり、低コストでの実施が可能となる。特に、上記運
転モードに従う運転制御を行う場合、中間期において
「冬モード」で運転しているような場合に、高圧圧力の
異常上昇が生じ易いが、上記高圧圧力制御はこのような
場合に特に好適である。

【００２４】以上にこの発明の具体的な実施の形態につ
いて説明したが、この発明は上記実施の形態に限定され
るものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施
することができる。すなわち本実施の形態では、運転モ
ードをシフトさせることにより目標吐出管温度を変更す
るようにしているが、これは他の手法を用いてもよい。
もっとも、運転モードをシフトさせることにより目標吐
出管温度を変更するようにした場合には、制御構成が簡
素になり、低コストでの実施が可能となるとの利点が生
じる。また上記では、圧力検出手段として制御用高圧圧
力スイッチ４３を用いているが、これも高圧検知を安価
な構成で行うためであり、他の手法を用いることもでき
る。さらに上記では、冷媒に二酸化炭素を使用したが、
エチレンやエタン、酸化窒素等の超臨界で使用する他の
冷媒、あるいは通常使用されている他の冷媒を用いても
良い。

【００２５】

【発明の効果】請求項１のヒートポンプ式給湯装置で
は、簡素な制御構成でもって、確実な高圧制御が行える
ので、圧縮機の信頼性を損なうことなく良好に維持でき
る。

【００２６】請求項２のヒートポンプ式給湯装置では、
一段と簡素な制御構成でもって、確実な高圧制御が行え
るので、圧縮機の信頼性を損なうことなく良好に維持で
きる。

【００２７】請求項３のヒートポンプ式給湯装置では、
請求項１や請求項２のように、目標吐出温度を低下させ
ることで高圧圧力を制御する方式の有効性が一段と発揮
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態であるヒートポンプ式
給湯装置の水系統及び冷媒系統回路図である。

【図２】この実施形態のヒートポンプ式給湯装置の圧縮
機の周辺の要部の説明図である。

【図３】上記実施形態における高圧圧力制御手順を説明
するためのフローチャート図である。

【図４】ヒートポンプ式給湯装置における動作状態を説
明するためのモリエル線図である。

【符号の説明】

１貯湯タンク４１圧縮機４３圧力検出手段（制御用高圧圧力スイッチ）４４水熱交換器４５減圧機構（電動膨張弁）４６蒸発用熱交換器（空気熱交換器）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮機（４１）、凝縮器として機能する
水熱交換器（４４）、減圧機構（４５）、蒸発用熱交換
器（４６）を有するヒートポンプシステムと、上記水熱
交換器（４４）にて加熱された温湯を貯留する貯湯タン
ク（１）とを備え、上記圧縮機（４１）からの吐出ガス
温度を目標吐出温度に近づけるべく制御するヒートポン
プ式給湯装置であって、圧縮機（４１）の吐出側の圧力
を検出する圧力検出手段（４３）を設け、この検出圧力
が基準圧力以上になったときに、上記目標吐出温度を低
下させることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】外気温度に対応して目標吐出温度を定め
た運転モードを複数の外気温度について記憶しておき、
特定の運転モードでの運転中に、検出圧力が基準圧力以
上になったときに、高外気温側の運転モードにシフトさ
せるべく構成したことを特徴とする請求項１のヒートポ
ンプ式給湯装置。
【請求項３】上記ヒートポンプシステムにおける冷媒
として、二酸化炭素、エチレン、エタン、酸化窒素等の
超臨界で使用する冷媒を用いていることを特徴とする請
求項１又は請求項２のヒートポンプ式給湯装置。