JP2005090843A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ給湯用熱交換器で生成した湯の給湯中に蒸発器の除霜運転を行っても、湯切れの発生を抑制して給湯することができるヒートポンプ給湯装置を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ給湯装置は、給湯用熱交換器２，蒸発器４，開閉弁６等から成り給水を湯に生成する冷媒回路と、給湯用熱交換器２で冷媒と熱交換させて生成した湯を貯湯する貯湯槽７等から成る給湯回路と、所定の給湯温度及び給湯量を得るための混合比率を制御する給湯制御回路２１とを備え、蒸発器４の温度を検出した温度センサ２２の信号から第１の着霜状態及び第２の着霜状態の少なくとも二通りを検知し開閉弁６を制御して除霜する除霜制御回路２３と、貯湯槽７内の湯温を検出した温度センサ１５，１６，１７の信号から貯湯槽７の残湯量を検知する残湯量検知回路１８とを有して、蒸発器４の着霜状態に応じた除霜を行うものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルを利用して湯を生成し、生成した湯を貯湯槽に貯湯せずにそのまま出湯することが可能な瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置に関するものである。

ヒートポンプサイクルを利用した給湯装置においては、外気温度や運転状況によって蒸発器に着霜が生じるため、着霜を検知して除霜運転を行っている。
そして、特許文献１に示された従来技術のヒートポンプ給湯装置は、貯湯タンクを備えてこの貯湯タンクに予め貯湯した湯を利用する貯湯型のヒートポンプ給湯装置であり、ヒートポンプサイクルを運転して貯湯槽に貯湯している時に、貯湯完了直前に着霜を検知して除霜運転に切り替えると貯湯完了が遅れるので、これを防止するために、貯湯が完了していない場合に除霜運転が要求されると、貯湯槽の水の加熱残量を検出し、加熱残量が所定量以下であれば所定時間除霜運転の要求をマスクして、貯湯運転を優先している。
即ち、図３のフローチャートに示すように、冷媒回路が運転開始されることにより貯湯が開始される（ステップ１１）。そして、貯湯が完了したか否かの判断を行い（ステップ１２）、完了した場合には次の貯湯運転に備えて除霜運転を行った（ステップ１３）後、貯湯運転を終了する（ステップ１４）。一方、貯湯が完了しない場合には除霜要求（着霜）の有無を判断する（ステップ１５）。このとき除霜運転が要求されると、加熱残量が所定量以下であるか否かの判断が行われる（ステップ１６）。もし所定量以下であった場合は、所定時間だけ除霜運転の要求をマスクし、貯湯を優先的に行う加熱優先モードに入って、タイマーをスタートさせて当該加熱優先モードを所定時間行い（ステップ４８）、その後除霜運転が行われる（ステップ４７）。
特開２００１−２５５００３号公報

しかしながら、上記従来の構成は貯湯型のヒートポンプ給湯装置を対象としたものであり、生成した湯を貯湯槽に貯湯せずにそのまま出湯することが可能な瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置においては、ヒートポンプを運転して生成した湯の給湯中に着霜を検知してそのまま除霜運転を行うと、湯切れが発生する場合があるという課題を有していた。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置において、湯切れの発生を抑制するヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機，給湯用熱交換器，減圧器，蒸発器を環状に接続して冷媒を流す冷媒回路と、給水した水を前記給湯用熱交換器で冷媒と熱交換させて生成した湯を貯湯する貯湯槽，当該貯湯槽に貯湯された湯と前記給水用熱交換器で生成した湯と直接給水した水とを混合する混合手段を有して給湯する給湯回路と、所定の給湯温度及び給湯量を得るために前記混合手段の混合比率を制御する給湯制御手段とを備えるヒートポンプ給湯装置であって、前記給湯制御手段が、前記蒸発器の第１の着霜状態及び第２の着霜状態の少なくとも二通りを検知する着霜検知手段と、いずれかの前記着霜状態を検知すると前記蒸発器の除霜を行う除霜手段と、前記貯湯槽に貯湯した湯の残湯量を検知する残湯量検知手段とを有することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記第１の着霜状態を検知した場合に、前記残湯量が所定値以上の場合は除霜運転を行い、前記残湯量が所定値未満の場合は前記第２の着霜状態を検知するまで除霜運転を禁止し、前記第２の着霜状態を検知した後に除霜運転を行うことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記第１の着霜状態を検知した場合に、前記残湯量が所定値未満の場合は、前記給湯制御手段により前記給湯量を所定値以下に制御することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のヒートポンプ給湯装置において、前記冷媒として二酸化炭素を用い、前記冷媒回路の高圧側を超臨界圧の状態で運転することを特徴とする。

本発明は、給湯中に蒸発器の着霜を検知しても貯湯槽の残湯量が少ない場合は除霜運転に入るのを遅延することで湯切れの発生を抑制することができ、さらに多量の着霜状態を検知した場合は蒸発器の除霜を行うものである。これにより、湯切れの発生を抑制しつつ、圧縮機の信頼性を保ちながら除霜運転を行うことができる。

本発明の第１の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置は、給湯制御手段が、蒸発器の第１の着霜状態及び第２の着霜状態の少なくとも二通りを検知する着霜検知手段と、いずれかの着霜状態を検知すると蒸発器の除霜を行う除霜手段と、貯湯槽に貯湯した湯の残湯量を検知する残湯量検知手段とを有するものである。本実施の形態によれば、少なくとも二通りの着霜状態を検知することで、着霜状態に応じた除霜運転が可能となり、湯切れの発生をきめ細やかに抑制することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、第１の着霜状態を検知した場合に、残湯量が所定値以上の場合は除霜運転を行い、残湯量が所定値未満の場合は第２の着霜状態を検知するまで除霜運転を禁止し、第２の着霜状態を検知した後に除霜運転を行うものである。本実施の形態によれば、湯切れの発生を抑制しつつ、圧縮機の信頼性を保ちながら除霜運転を行うことができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１または第２の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、第１の着霜状態を検知した場合に、残湯量が所定値未満の場合は、給湯制御手段により給湯量を所定値以下に制御するものである。本実施の形態によれば、蒸発器への着霜によりヒートポンプの給湯能力が低下し、貯湯槽の残湯量が少ない状態でも、湯切れの発生を抑制しつつ給湯を行うことができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１から第３の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、冷媒として二酸化炭素を用い、冷媒回路の高圧側を超臨界圧の状態で運転するものである。本実施の形態によれば、高温の湯を生成することができるので、貯湯槽を小型にすることができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例によるヒートポンプ給湯装置を示す回路構成図である。
本実施例のヒートポンプ給湯装置は、冷媒回路と、給湯回路と、給湯制御手段とを含み構成される。冷媒回路は、冷媒を圧縮する圧縮機１，冷媒を凝縮させてこの凝縮熱で水を加熱する給湯用熱交換器２，冷媒を減圧する減圧器３，冷媒を蒸発させる蒸発器４を環状に接続して形成したヒートポンプ回路と、蒸発器４の除霜を行うためのバイパス回路５及びこのバイパス回路５に設けた開閉弁６とから構成される。なお、この冷媒回路に冷媒として二酸化炭素を適量封入し、高圧側が超臨界圧の状態となるように運転する。
一方、給湯回路は、例えば水道から給水した水を給湯用熱交換器２で冷媒と熱交換させて生成した湯を貯湯する貯湯槽７と、この貯湯槽７に貯湯された湯と給水用熱交換器２で生成した湯とを比率可変で混合する第１混合弁８と、この第１混合弁８を通過した湯と直接給水した水とを比率可変で混合する第２混合弁９と、給水量を制御する制御弁１０と、流路中の水の逆流を防ぐ逆止弁１１，１２と、貯湯槽７に高温の湯を貯湯するための容量可変水ポンプ１３及び開閉弁１４とから構成される。
また、給湯制御手段は、貯湯槽７の残湯量を検知するための温度センサ１５〜１７と、これらの温度センサ１５〜１７の温度信号を受けて残湯量を判断して残湯量信号を送出する残湯量検知回路１８と、利用側の給湯量を検知する流量センサ１９と、給湯温度を検出する温度センサ２０と、この流量センサ１９の流量信号を受けて温度センサ２０で検出する給湯温度が所定の温度になるように第１混合弁８及び第２混合弁９の混合比率を制御する給湯制御回路２１と、蒸発器４の温度を検出する温度センサ２２と、この温度センサ２２の温度信号を受けて蒸発器４の着霜を判断してバイパス回路５の開閉弁６を開いて蒸発器４の除霜を行う除霜制御回路２３と、制御フローに従ってヒートポンプ給湯装置全体の制御を行う主制御装置２４とから構成される。

次に、このヒートポンプ給湯装置の動作について説明する。まず、貯湯槽７に貯湯する貯湯運転について説明する。
貯湯運転時には、主制御装置２４は、給湯回路の第１混合弁８及び第２混合弁９の流路を閉に、開閉弁１４を開にして、容量可変水ポンプ１３をオンにする。また、冷媒回路の圧縮機１をオンにする。これにより貯湯槽７の最下部の水は、容量可変水ポンプ１３より給湯用熱交換器２に流入して冷媒と熱交換して高温の湯となり、開閉弁１４を経て最上部より貯湯槽７に流入する。この時、貯湯槽７へ流入する高温の湯が所定の温度になるように、温度センサ等（図示せず）で流入する湯の温度を検知して、容量可変水ポンプ１３の容量を変化させる。
本実施例では、８０℃の湯を生成するとすれば、貯湯槽７の中の水は、上部から下部へと８０℃の湯に置き換えられる。そして、下部に配設した温度センサ１５が８０℃になると、残湯量検知回路１８が貯湯完了と判断して信号を送出し、主制御装置２４が容量可変水ポンプ１３と圧縮機１をオフにする。

続いて給湯運転について説明する。利用側のカラン２５などが開かれると、流量センサ１９が給湯開始を検知し、給湯制御回路２１が主制御装置２４に給湯開始の信号を送出し、主制御装置２４が圧縮機１をオンに、容量可変水ポンプ１３をオフに、開閉弁１４を閉にする。そして、給湯制御回路２１が流量センサ１９と温度センサ２０の信号を受けて、給湯温度が所定の温度になるように第１混合弁８と第２混合弁９の各流路の開度を制御する。
この時の給湯回路を流れる水は、水道より給水されて制御弁１０を通過して分岐し、一方は逆止弁１１を経て第２混合弁９へ流入し、他方は貯湯槽７の下部から逆止弁１２を経て給湯用熱交換器２に流入する。そして、給湯用熱交換器２で冷媒と熱交換して中温（例えば４５℃程度）の湯となって、第１混合弁８へ流入する。また、貯湯槽７に貯湯された高温（例えば８０℃程度）の湯は、前述の下部を通過する水に押されて第１混合弁８に流入する。したがって、温度センサ２０で検知する温度が所定の温度（例えば４２℃）になるように、第１混合弁８で高温の湯と中温の湯とを比率可変で混合し、さらに第２混合弁９でこの混合した湯と水道より直接給水した低温の水とを比率可変で混合し、所定の給湯温度を得る給湯制御が行われる。

次に、給湯運転時に温度センサ２２が蒸発器４の着霜を検知した場合の制御について、図２を用いて説明する。図２は、図１に示すヒートポンプ給湯装置の給湯制御を示すフローチャートである。
同図に示すように、カラン２５が開かれると、流量センサ１９が流量を検知して給湯制御回路２１が給湯の開始を判断する（ステップ１）と、主制御装置２４が圧縮機１をオンにして給湯運転を開始する（ステップ２）。
ここで蒸発器の着霜検知は、温度センサ２２が検出した温度Ｔ１が、Ｔ１≦Ｔａとなった時に、所定の量だけ着霜した第１の着霜状態と判断する。また、Ｔ１≦Ｔｂとなった時（Ｔｂ≦Ｔａ）に、これ以上運転を継続すると蒸発しきれなかった液冷媒が圧縮機に戻ってきて、圧縮機を破損する可能性が生じる第２の着霜状態と判断する。なお、三通り以上の着霜状態を検知する構成でも良い。
そして、給湯運転中に温度センサ２２で検出した温度Ｔ１がＴ１≦Ｔａとなって、除霜制御回路２３が蒸発器４の第１の着霜状態を検知する（ステップ３）と、次に貯湯槽７内に所定量以上の残湯量があるかどうかを残湯量検知回路１８が判断する（ステップ４）。
除霜運転中は、給湯用熱交換器２で中温の湯を生成することができず、その間は貯湯槽７からの高温の湯をより多く使用することになる。したがって、その場合でも湯切れしない十分な残湯量を実験等により定める必要がある。本実施例では、中間部に配設した温度センサ１６で検知する貯湯槽７内の湯温Ｔ２が８０℃以上であれば（ステップ４）、中間部より上部の貯湯槽内には、８０℃以上の湯が貯湯されており、十分な残湯量が確保されていると判断し、除霜制御回路２３が開閉弁６を開いて除霜運転を行う（ステップ５）。
一方、Ｔ２が８０℃未満であれば（ステップ４）、除霜運転中に湯切れを生じる恐れがあるため、給湯制御回路２１により給湯量を絞って所定量以下になるように、第１混合弁８及び第２混合弁９を制御し（ステップ６）、給湯運転を継続する。なお、ステップ６の給湯量制御を省く構成であっても良い。
そして、給湯運転中に温度センサ２２で検出した温度Ｔ１がＴ１≦Ｔｂとなって、除霜制御回路２３が蒸発器４の第２の着霜状態を判断すると（ステップ７）、除霜運転に移行する（ステップ５）。また、蒸発器４の第２の着霜状態を検知するまで、着霜検知（ステップ７）を繰り返す。即ち、第２の着霜状態を検知するまで給湯運転を継続し、第２の着霜状態を検知してから蒸発器４の除霜を行うものである。

このように本実施例のヒートポンプ給湯装置は、着霜検知手段により第１の着霜状態を検知した場合に残湯量検知手段により検知した残湯量が所定値以上の場合は除霜手段により蒸発器の除霜を行い、残湯量が所定値未満の場合は第２の着霜状態を検知するまで蒸発器の除霜を禁止し、着霜検知手段により第２の着霜状態を検知した後に蒸発器の除霜を行うものである。これにより、湯切れの発生を抑制しつつ圧縮機の破損を回避しながら除霜運転を行うことができる。

なお、上記実施例では、冷媒として二酸化炭素を使った場合を説明したが、Ｒ４１０Ａ冷媒やＨＣ冷媒等のその他の冷媒を用いてもよい。

以上のように、本発明は、ヒートポンプサイクルを利用して湯を生成し、生成した湯を貯湯槽に貯湯せずにそのまま出湯するヒートポンプ給湯装置に適用され、例えば、家庭用の瞬間湯沸し器などに適している。

本発明の一実施例によるヒートポンプ給湯装置を示す回路構成図 図１に示すヒートポンプ給湯装置の給湯制御を示すフローチャート 従来のヒートポンプ給湯装置の給湯制御を示すフローチャート

符号の説明

１ 圧縮機
２ 給湯用熱交換器
３ 減圧器
４ 蒸発器
５ バイパス回路
６，１４ 開閉弁
７ 貯湯槽
８ 第１混合弁
９ 第２混合弁
１０ 制御弁
１１，１２ 逆止弁
１３ 容量可変水ポンプ
１５，１６，１７，２０，２２ 温度センサ
１８ 残湯量検知回路
１９ 流量センサ
２１ 給湯制御回路
２３ 除霜制御回路
２４ 主制御装置
２５ カラン

Claims (4)

1. 圧縮機，給湯用熱交換器，減圧器，蒸発器を環状に接続して冷媒を流す冷媒回路と、給水した水を前記給湯用熱交換器で冷媒と熱交換させて生成した湯を貯湯する貯湯槽，当該貯湯槽に貯湯された湯と前記給水用熱交換器で生成した湯と直接給水した水とを混合する混合手段を有して給湯する給湯回路と、所定の給湯温度及び給湯量を得るために前記混合手段の混合比率を制御する給湯制御手段とを備えるヒートポンプ給湯装置であって、前記給湯制御手段が、前記蒸発器の第１の着霜状態及び第２の着霜状態の少なくとも二通りを検知する着霜検知手段と、いずれかの前記着霜状態を検知すると前記蒸発器の除霜を行う除霜手段と、前記貯湯槽に貯湯した湯の残湯量を検知する残湯量検知手段とを有することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 前記第１の着霜状態を検知した場合に、前記残湯量が所定値以上の場合は除霜運転を行い、前記残湯量が所定値未満の場合は前記第２の着霜状態を検知するまで除霜運転を禁止し、前記第２の着霜状態を検知した後に除霜運転を行うことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 前記第１の着霜状態を検知した場合に、前記残湯量が所定値未満の場合は、前記給湯制御手段により前記給湯量を所定値以下に制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 前記冷媒として二酸化炭素を用い、前記冷媒回路の高圧側を超臨界圧の状態で運転することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のヒートポンプ給湯装置。
   

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