JP2005098649A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器に着霜した場合も、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に関するものである。
【解決手段】ヒートポンプ給湯装置であって、蒸発器の着霜を検知する着霜検知手段と、着霜を検知すると前記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、残湯量検知手段により検知された残湯量が所定値以下の時に着霜を検知した場合は着霜の時間を積算し、積算値を用いて除霜を遅延させる手段とを有したものである。
【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を生じるため、着霜を検知して除霜運転を行う必要がある。従来、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においては、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わることで貯湯完了が遅れるのを防ぐために、図４のフローチャートに示すよう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た。（例えば特許文献１参照）
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をそのまま出湯中に着霜を検知して除霜運転を行うと、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。

上記課題を解決するために請求項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、前記蒸発器の着霜を検知する着霜検知手段と、前記着霜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、前記残湯量検知手段により検知された残湯量が所定値以下の時に前記着霜を検知した場合は前記着霜の時間を積算し、前記積算値を用いて除霜を遅延させる手段とを有したものである。

請求項２記載の本発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１記載のヒートポンプ給湯装置において、前記除霜を遅延させている期間中に前記残湯量検知手段により残湯量が所定値以上となったことを検出すると、除霜手段により前記蒸発器の除霜を行うものである。

請求項３記載の本発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１または２記載のヒートポンプ給湯装置において、給湯量を制御する給湯制御手段を有し、前記蒸発器の除霜を遅延させている期間中は、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。

請求項４記載の本発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１〜３のいずれかに記載のヒートポンプ給湯装置において、冷媒回路に用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転するものである。

上記から明らかなように、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、また蒸発器の除霜を所定時間遅延させている期間中に残湯量が所定値以上となったことを検出すると前記所定時間を短縮して除霜手段により前記蒸発器の除霜を行うことで、湯切れの発生を抑制しつつ除霜運転を行うことができる。また、運転停止を繰り返しても、精度よく遅延時間を判断することができる。

本発明の第１の実施の形態である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、前記蒸発器の着霜を検知する着霜検知手段と、前記着霜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、前記残湯量検知手段により検知された残湯量が所定値以下の時に前記着霜を検知した場合は前記着霜の時間を積算し、前記積算値を用いて除霜を遅延させる手段とを有したものである。これにより、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る。

本発明の第２の実施の形態であるヒートポンプ給湯装置は、第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置において、除霜を遅延させている期間中に前記残湯量検知手段により残湯量が所定値以上となったことを検出すると、除霜手段により前記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の実施の形態であるヒートポンプ給湯装置は、第１または２の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置において、給湯量を制御する給湯制御手段を有し、前記蒸発器の除霜を遅延させている期間中は、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。これにより、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の実施の形態であるヒートポンプ給湯装置は、第１〜３の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置において、冷媒回路に用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転するものである。これにより、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おけるヒートポンプ給湯装置を示したものである。本実施例のヒートポンプ給湯装置の冷媒回路は、圧縮機１、給湯用熱交換器２、減圧器３、蒸発器４を環状に接続して構成し、蒸発器４の除霜を行うためのバイパス回路５を配設し、このバイパス回路５には開閉弁６が設けられており、この冷媒回路の冷媒として二酸化炭素
が最適量封入されている。一方、給湯回路には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可能な貯湯槽７を設け、給水用熱交換器２を通過した後の湯と貯湯槽７に貯湯された湯を比率可変で混合可能な第１混合弁８と、この第１混合弁８を通過後の湯と給水された水とを比率可変で混合可能な第２混合弁９とを設けている。また、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を設け、また貯湯槽７に高温の湯を貯湯するために、容量可変水ポンプ１３と開閉弁１４を設けている。また、貯湯槽７の残湯量を検知するために温度センサ１５〜１７と、この温度センサ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を設けている。さらに利用側の給湯量を検知する流量センサ１９と給湯温度を検知する温度センサ２０を設け、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と第２混合弁９の混合比率を制御する給湯制御回路２１を有する。また、蒸発器４の着霜を検知する温度センサ２２を設け、この温度センサ２２の信号を受けて蒸発器４の着霜を判断して開閉弁６を開いて蒸発器４の除霜を行う除霜制御回路２３を有する。さらには、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を設けている。

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より給湯回路は第１混合弁8、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。冷媒回路は圧縮機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６に流入し、冷媒と熱交換して高温の湯となり最上部より貯湯槽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（図示せず）等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ると、貯湯槽７の中は水から８０℃の湯に置き換えられていく。そして、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。利用側のカラン等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より主制御装置に給湯開始の信号が送出され、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を閉にし、給湯制御回路２１にて流量センサ１９、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、第２混合弁９の各流路の開度を制御する。この時の給湯回路の水の流れは、水道より給水されて制御弁１０を通過して分岐して一方は第２混合弁９へ、他方は貯湯槽７の下部を経て逆止弁１２、給湯用熱交換器６に流入し、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。貯湯槽７に貯湯された高温の湯は、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を比率可変で混合し、さらに第２混合弁９で低温の水と比率可変で混合して所定の給湯温度を得る。

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、本実施例における制御フロー図である。
同図に示すように、カラン等が開かれると流量センサ１９が流量を検知して給湯運転を開始する。給湯運転中に蒸発器４の着霜を検知すると、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判断する。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、実験等により、その場合でも湯切れしない十分な量を定める必要がある。ここでは、温度センサ１６で検知する貯湯槽７内の湯温Ｔ１が８０℃以上であれば、それより上の空間は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て除霜運
転を行う。Ｔ１が８０℃未満であれば、最初に着霜を検知した時刻からの経過時間τ１がτ１≧τａであるかどうかを判断し、τ１≦τａであれば、着霜継続時間τ２を算出するために着霜検知のインターバルΔτを積算する。τ１≧τａとなれば所定時間経過したと判断して、τ１もτ２もリセットした上で再度τ１を計測開始してΔτの積算を行う。そして、τ２≧τｂとなったら除霜運転に移行する。また、τ２＜τｂであれば、給湯制御回路２１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、第２混合弁９を制御し、制御フローの最初に戻る。給湯運転が停止した場合も、τ１のカウントは継続し、τ２の積算値も保持される。そして、次の給湯運転を開始した時には再び制御フローに従う。また、給湯運転が停止した時に、貯湯運転を行って貯湯槽７に貯湯を行う場合も考えられるが（図示せず）、その場合も次の給湯運転時に残湯量が所定値以上であれば、τ１、τ２の値に関わらず除霜運転を行う。

このように、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、また蒸発器の除霜を遅延させている期間中に残湯量が所定値以上となったことを検出すると前記所定時間を短縮して除霜手段により前記蒸発器の除霜を行うことで、湯切れの発生を抑制しつつ除霜運転を行うことができる。また、着霜検知をしてから除霜運転を一定時間遅延させる制御を行う場合は、着霜を検知して遅延時間中に運転停止等で着霜検知しなくなり遅延時間をリセットし、次回の運転で再び遅延時間を最初から設定することになり、短時間の停止時間中では蒸発器の霜が融解できず、運転停止を繰り返すと着霜がどんどん進行してしまって最終的に圧縮機の破損につながることも考えられるが、本発明の実施例では所定時間内の運転中の着霜検知時間を積算して除霜遅延時間を設定するのでそのような心配もない。

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。

本発明の一実施形態を示すヒートポンプ給湯装置の回路構成図 同実施形態の制御フロー図 従来のヒートポンプ給湯装置の制御フロー図

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（除霜手段）
６ 開閉弁（除霜手段）
７ 貯湯槽
８ 第１混合弁（給湯制御手段）
９ 第２混合弁（給湯制御手段）
１５ 温度センサ（残湯量検知手段）
１６ 温度センサ（残湯量検知手段）
１７ 温度センサ（残湯量検知手段）
１８ 残湯量検知回路（残湯量検知手段）
１９ 流量センサ（給湯制御手段）
２０ 温度センサ（給湯制御手段）
２１ 給湯制御回路（給湯制御手段９
２２ 温度センサ（着霜量検知手段）
２３ 除霜制御回路（除霜手段）
２４ 主制御装置

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、前記蒸発器の着霜を検知する着霜検知手段と、前記着霜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、前記残湯量検知手段により検知された残湯量が所定値以下の時に前記着霜を検知した場合は前記着霜の時間を積算し、前記積算値を用いて除霜を遅延させる手段とを有したことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 前記除霜を遅延させている期間中に前記残湯量検知手段により残湯量が所定値以上となったことを検出すると、除霜手段により前記蒸発器の除霜を行う請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 給湯量を制御する給湯制御手段を有し、前記蒸発器の除霜を遅延させている期間中は、給湯制御手段により給湯量を所定値以下に制御する請求項１または２記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 冷媒回路に用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転する請求項１〜３のいずれかに記載のヒートポンプ給湯装置。

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