JP2004150677A

JP2004150677A - ヒートポンプ給湯機

Info

Publication number: JP2004150677A
Application number: JP2002315216A
Authority: JP
Inventors: Shuuton Rimu; シュウトンリム; Akinobu Okamura; 哲信岡村; Kenji Mitsusaka; 賢司三坂
Original assignee: Hitachi Home and Life Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】小容量の補助タンクを備えたヒートポンプ給湯機ではタンクから供給できる湯量が少ないので、圧縮機の急速な立ち上がり及び立ち下がりが生じ、急激な水量変化に追従することは困難である。又、給湯を止めてすぐに圧縮機を止めると、冷媒の圧力高めるのに要したエネルギーを捨てなければならず、エネルギーの無駄となる。
【解決手段】本発明のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプ回路と水回路とを備え、ヒートポンプ回路は、その吐出圧力に基づいて運転制御される圧縮機と、その圧縮機から吐出される吐出圧力を検出する検出器と、圧縮機によって加熱された冷媒と水とを熱交換させる水熱交換器とを有し、水回路は、湯水を蓄える補助タンクと、その補助タンクの湯水と水熱交換器によって加熱された湯水とを混合するタンク湯混合弁と、所定温度に達した水熱交換器によって加熱された湯水に給水された水を混合する水混合弁とを有する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は瞬間式ヒートポンプ給湯機の圧縮機回転数制御に関する。特にお湯を瞬間的に供給できる手段として、素早く目標温度に到達し、尚かつ、長寿命、高信頼性の面において最適な圧縮機回転制御を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヒートポンプ給湯機は大容量の貯湯槽を備え、夜間の安価な電力を使って湯を沸き上げて貯湯槽に貯蔵し、日中は貯蔵した湯を使用していた。したがって、従来のヒートポンプ給湯機では、ヒートポンプ回路を駆動する圧縮機をほぼ定速で制御させればよいため、圧縮機の出力の変化は考慮する必要がなかった。また時間をかけて貯湯槽の湯を沸かすため、それほど大きな出力を圧縮機は必要としていなかった（例えば、特許文献１。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−５５１７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来例で説明したヒートポンプ給湯機は、貯湯槽に貯えた湯を使用するという使い方をしているため、時には貯湯槽の湯を使いきってしまい、すぐに沸き上げることが出来ず湯切れを起こすことがあった。
【０００５】
そこで大容量の貯湯槽に大量の湯を貯蔵することをやめ、初期出湯は容量の小さい補助タンクで出湯し、補助タンクが湯切れを起こす前に圧縮機を短時間で高速回転運転して、ヒートポンプ回路で設定湯温まで沸かした温水を直接、水利用端末に供給する方式が考えられる。
【０００６】
しかし、小容量の補助タンクでは供給できる湯量が少ないので、圧縮機を運転開始してから設定温度に水を加熱するまでを、数分間以内にする必要がある。つまり、圧縮機の急速な立ち上がり及び立ち下がり、またそのような制御下で圧縮機にとって過負荷にならないようにしなければならない。しかし、検出された出湯する湯の温度に基づいた圧縮機の回転制御では、冷凍サイクルの熱伝達の遅れにより、急激な水量変化に追従することは困難である。又、給湯を止めてすぐに圧縮機を止めると、冷媒の圧力高めるのに要したエネルギーを捨てなければならず、エネルギーの無駄となる。
【０００７】
そこで本発明の目的は、出湯に対する応答性を高め、エネルギーを効率的に利用可能なヒートポンプ給湯機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためには、水熱交換器の温度のハンチングとオーバーシュートを抑制しながら、圧縮機の急速な立ち上げ、立ち下げを如何に制御するかが重要である。出湯温度を目標として圧縮機の回転数を制御すると、熱伝達の遅れで急激な出力変化に追い付かない。そこで本発明では、ヒートポンプ給湯機において、圧縮機の吐出圧力と冷媒飽和温度の関係に着目し、より応答性の早い吐出圧力に基づき圧縮機の運転制御を行うものである。
【０００９】
特に、貯湯式ヒートポンプ給湯機の貯湯槽よりも小容量の貯湯層を備え、ヒートポンプ回路と熱交換した湯水を出湯するヒートポンプ給湯機は、出湯し始めや急速に出湯する湯水量が増加したときには、圧縮機の立ち上がり遅れを補って、補助タンク内のお湯でお湯を補給する。急速に出湯する湯水の量が減ったときには、圧縮機からの冷媒の吐出圧力を検出して、その検出結果に基づき圧縮機の回転数を制御する。また、出湯量が設定量よりも小さくなったら圧縮機の回転数を最低運転回転数にして吐出圧力を検出し、その吐出圧力が設定された値よりも高い場合はその最低運転回転数を保持し、その吐出圧力が設定された値よりも低い場合、回転数を上げてもよい。
【００１０】
さらに圧縮機を保護するため、吐出圧力の保証範囲を超えないように、吐出圧力を吸い込む側に短絡させてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図によって説明する。その部品構成を図１によって説明する。本実施形態のヒートポンプ回路（サイクル）では、圧縮機１で圧縮された冷媒が水と冷媒との熱交換を行う水熱交換器６で凝縮され、凝縮された冷媒は減圧装置５で減圧された後、空気熱交換器２で低圧のガス冷媒になり圧縮機１に戻る。それらの機器は、順次冷媒配管６ａ、５ａ、２ａ、１ａで接続されている。吐出圧力検出装置１３は冷媒配管６ａと接続し、圧縮機１の吐出圧力を検出して図示しない制御部に出力する。空気熱交換機のファン３は、空気熱交換器２に送風する。圧縮機１の吐出圧力保護用の２方電磁弁４は一端を冷媒配管４ａで圧縮機１と水熱交換器６の間に接続し、もう一端を冷媒配管４ｂで減圧装置５と空気熱交器間に接続されている。
【００１２】
一方、給水回路は、上水道から給水された水を下部に、水熱交換器２で高温になった湯水を上方に導入可能となっている補助タンク８と、給水された水や補助タンク８の下部に貯えられた水を水熱交換器６に送る循環ポンプ９と、水熱交換器６で高温になった湯水と補助タンク８の上方に溜められた湯水とを切り替えたり混ぜたりを制御するタンク湯混合弁７と、水熱交換器６で加熱されて高温になった湯水に給水された水を混ぜるために開閉するバイパス混合弁１０と、水量絞り弁１１と、出湯口１１ａとを、順次水配管８ａ、８ｂ、９ａ、６ｂ、７ａ、１０ａ、１０ｂで接続して構成されている。
【００１３】
次に本実施形態におけるヒートポンプ給湯機の動作について説明する。図１において、出湯を図示しない流量センサで検出することで、水熱交換器６の目標温度まで水を加熱するため、図示しない制御部は圧縮機１の運転を開始する。このとき、圧縮機１は運転していなかったため、吐出圧力検出装置１３が検出する吐出圧力は通常は低く、その検出結果に基づき制御部が冷媒飽和温度−飽和圧力データテーブルより目標吐出圧力を探しだし、目標吐出圧力まで圧縮機を回転させる。
【００１４】
圧縮機１によって加圧された冷媒は、水熱交換器６に送り込まれる。水熱交換器６内では高温冷媒と水回路中の水とが熱交換し、冷媒は放熱し水は加熱される。放熱した冷媒は減圧装置５で減圧され、更に空気熱交換器２で膨脹蒸発して冷媒は再度圧縮機１に戻る。
【００１５】
もし、出湯量が減少するか出湯自体が止まったりすると、吐出圧力が急上昇するので圧縮機１の回転数を最低回転数に下げる。しかし、場合によっては、圧縮機の回転数を落としても吐出圧力が圧縮機の圧力保証範囲を超える恐れがある。吐出圧力が圧力保証範囲を超えるかどうか吐出圧力検出装置１３からの検出結果に基づき制御部で判定し、もしも吐出圧力が圧力保証範囲を越えそうな場合は、制御部は２方電磁弁４を開き、冷媒配管４ａ、４ｂを通して、冷媒経路を短絡させ、吐出圧力を圧力保証安全範囲内まで落として、圧縮機の保護を行う。
【００１６】
一方水回路は、給水された水が水熱交換器２によって加熱され、タンク湯混合弁７を通過し、バイパス混合弁１０にて給水源からの水と混合調整され、使用温水（例えば４２℃）に合わせた温度とし、出湯口１１ａから出湯する。循環水回路は常に補助タンク８が満水となるように制御部によって給水制御されている。
【００１７】
ヒートポンプ回路の圧縮機１の立上り時における水熱交換器６での水加熱の遅れは、常時出湯に利用できる温度に温度管理された湯水を補助タンク８に貯えておき、圧縮機１の運転立上り時に、補助タンク８の温水を優先して出湯するように制御部が制御することで、利用者は常に適切な温度の湯水を出湯させることができる。
【００１８】
この補助タンク８のもう１つの役割として、短期間で出湯が停止しても、水熱交換器６の余分な熱を蓄えることができる。具体的には、短期間での出湯が止まった後、圧縮機１をすぐ止めずにタンク循環ホ゜ンフ゜９が起動される。すると補助タンク８の水配管８ａより補助タンク８下部の水が水配管９ａを通じて水熱交換器６に移動する。水熱交換器６で加熱された湯水は、水配管６ｂ、タンク湯混合弁７、そして水配管８ｂを通じて、補助タンク８に運ばれる。こうすることで水熱交換器６の余分の熱を補助タンク８に蓄えることができ、圧縮機１の連続運転時間を延び、ＣＯＰが向上する。制御部は、出湯された湯水の継続した使用が終了すると、上記の使用パターンを読み込み、運転条件情報として決定し更新する。
【００１９】
日中の一時的な使用時には、運転制御機能によらずに運転し、圧縮機１の運転開始直後は補助タンク８に貯められた湯水を給水し、その間に圧縮機１の運転により水熱交換器２で予熱運転する。圧縮機１の運転により水熱交換が安定し、加熱後の給水温度が使用温度以上に達したら、補助タンクからの給湯から、水熱交換器６からのヒートポンプ回路による直接給湯に切り換える。
【００２０】
給湯が終了すると、補助タンク８内の水を循環加熱する。補助タンク１０内の水の加熱が終了すると、すなわち補助タンク８から水熱交換器２へ循環する水温が急上昇し、水熱交換器２の出口水温が急上昇して、規定温度以上になると、図示されていない水熱交換器６からの湯水の温度を検出する温度センサからの検出結果に基づき、制御部は圧縮機１の運転を終了する。
【００２１】
なお、本実施形態における運転制御は、運転効率向上のみでなく、圧縮機１の断続運転回数を大幅に減少させることで、圧縮機１の始動時に生じるトラブルを少なくし、装置全体の寿命信頼性を向上させることができる。また、貯湯タンクの大小や給水回路に関係なくその効果を発揮し得るものである。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、出湯に対する応答性を高め、エネルギーを効率的に利用可能なヒートポンプ給湯機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明一実施形態におけるヒートポンプ給湯機の冷媒回路及び水回路の概念図。
【符号の説明】
１…圧縮機２…空気熱交換器３…減圧装置４…２方電磁弁５…減圧弁１ａ、２ａ、５ａ、６ａ、４ａ、４ｂ…冷媒配管６…水熱交換器７…タンク湯混合弁８…補助タンク９…タンク循環ポンプ１０…バイパス混合弁１１…水量弁１２…逆止弁１２ａ、１２ｂ、９ａ、６ｂ、７ａ、１０ａ、１０ｂ、８ａ、８ｂ…水配管。

Claims

ヒートポンプ回路と水回路とを備え、ヒートポンプ回路は、その吐出圧力に基づいて運転制御される圧縮機と、その圧縮機から吐出される吐出圧力を検出する検出器と、圧縮機によって加熱された冷媒と水とを熱交換させる水熱交換器とを有し、水回路は、湯水を蓄える補助タンクと、その補助タンクの湯水と水熱交換器によって加熱された湯水とを混合するタンク湯混合弁と、所定温度に達した水熱交換器によって加熱された湯水に給水された水を混合する水混合弁とを有するヒートポンプ給湯機。
冷媒の吐出圧力の検出値で冷媒の飽和温度を算出する手段と、それを換算して目標温度の代わりに目標圧力として圧縮機の回転数を制御する請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
出湯の停止に伴い吐出圧力が上昇したときに前記圧縮機から吐出された冷媒を前記圧縮機の吸込みに短絡させるバイパス経路を備えた請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
出湯が停止したとき、吐出圧力が高いとき場合に前記補助タンクの温度が低い水を前記水熱交換器に送るポンプを備え、前記水熱交換器で熱交換された湯水を前記補助タンクが蓄える請求項１記載のヒートポンプ給湯機。