JP2005147540A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

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Abstract

【課題】低圧側冷媒圧力が臨界圧力に近づくまたは超過する際に発生する冷凍サイクル不安定現象を回避することができるヒートポンプ給湯機を提供すること。
【解決手段】膨張弁出口から前記圧縮機までの間に低圧圧力を検出する低圧圧力検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記圧縮機の運転周波数を決定させる運転周波数決定手段とを備え、前記低圧圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、前記圧縮機の周波数を増加させる圧縮機運転周波数決定手段により前記蒸発器内の低圧圧力を減少させるものであって、前記運転周波数決定手段では、前記圧縮機の最低運転周波数を、前記低圧圧力と前記外気温度と前記入水温度とを用いて決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路で、貯湯タンクの水を加熱して温水を作るヒートポンプ給湯機に関するものである。
従来から能力可変の圧縮機を用いたヒートポンプサイクルを用いた給湯機が提案されている（例えば特許文献１参照）。
能力可変圧縮機としては図６に示すようなスクロール圧縮機が用いられる。図６は代表的なスクロール圧縮機の断面図で、鏡板から渦巻きラップが立ち上がる固定スクロール１０１および旋回スクロール１０２を噛み合わせて双方間に圧縮室１０３を形成し、旋回スクロール１０２を自転拘束機構１０４による自転の拘束のもとに円軌道に沿って旋回させたとき圧縮室１０３が容積を変えながら移動することで冷媒の吸入、圧縮、吐出を行う。旋回スクロール１０２とこれの背面側をバックアップする固定部材１０５との間に、旋回スクロール１０２の背面の中央部に潤滑用のオイルにより高圧を与える高圧部１０６が設けられ、この高圧部１０６との間をシールリング１０７によって仕切られ前記背面の外周部に前記高圧部１０６よりも低い所定の圧力（背圧）を印加する背圧室１０８を設け、これらの高圧と背圧により、旋回スクロール１０２を固定スクロール部品１０１に押しつけることで、旋回スクロール１０２が固定スクロール部品１０１から離れて転覆するようなことがないようにしている（例えば特許文献２参照）。
特開２００３−２４７７５９号公報 特開２００２−２６６７７６号公報
ところが、上記のようなスクロール圧縮機を用いた場合において、高圧冷媒圧力が低く、低圧冷媒圧力が高い時、即ち圧縮比が低い運転状態の場合は、旋廻スクロールを固定スクロースに押し付ける力より、圧縮室で圧縮された高圧冷媒圧力の力が大きくなると、旋廻スクロールが固定スクロールから離れてしまい、高圧の圧縮室内の冷媒が低圧の圧縮室へ漏洩してしまう、いわゆる転覆が起こり、十分な圧縮ができず、冷凍サイクルに流れる冷媒循環量が低下し、その結果、冷凍能力も低下するという課題がある。また、低圧縮比での転覆を抑えるために、旋回スクロールの背面に働く押し付け力を大きくすると、高圧縮比の運転条件において、旋回スクロールに過大な押し付け力が発生し、異常磨耗を引き起こすことがあるため、旋回スクロールの背面に働く押し付け力をあまり大きくできないという課題があった。
本発明は、ヒ−トポンプ給湯機の冷凍サイクルにおいて圧力差を確保し、スクロール圧縮機の運転が不安定とならず、スクロール圧縮機の信頼性を確保したり冷媒配管の騒音、振動を防止することができるヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。
本発明のヒートポンプ給湯機は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を冷媒配管で接続したヒートポンプ回路と、前記給湯用熱交換器に貯湯タンク下部の水を供給して前記給湯用熱交換器で加熱された温水を前記貯湯タンク上部に注入する貯湯回路とを有し、前記圧縮機の運転周波数を可変としたヒートポンプ給湯機であって、前記膨張弁出口から前記圧縮機までの間に低圧圧力を検出する低圧圧力検出手段と、外気温度を検出する
外気温度検出手段と、前記給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記圧縮機の運転周波数を決定させる運転周波数決定手段とを備え、前記低圧圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、前記圧縮機の周波数を増加させる圧縮機運転周波数決定手段により前記蒸発器内の低圧圧力を減少させるものであって、前記運転周波数決定手段では、前記圧縮機の最低運転周波数を、前記低圧圧力と前記外気温度と前記入水温度とを用いて決定することを特徴とする。
また本発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、減圧器、及び蒸発器を冷媒配管で接続したヒートポンプ回路と、前記給湯用熱交換器に貯湯タンク下部の水を供給して前記給湯用熱交換器で加熱された温水を前記貯湯タンク上部に注入する貯湯回路とを有し、前記圧縮機の運転周波数を可変としたヒートポンプ給湯機であって、前記減圧装置出口から前記圧縮機までの間に低圧圧力を検出する低圧圧力と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記貯湯タンクに導かれる出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記圧縮機の運転周波数を決定させる運転周波数決定手段とを備え、前記低圧圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、前記圧縮機の周波数を増加させる圧縮機運転周波数決定手段により前記蒸発器内の低圧圧力を減少させるものであって、前記運転周波数決定手段では、前記圧縮機の最低運転周波数を、前記低圧圧力と前記外気温度と前記出湯温度とを用いて決定することを特徴とする。
本発明によれば、安定した冷凍サイクル制御をコストの増大を可能な限り伴わない手段で可能とするものである。
第１発明は、膨張弁出口から前記圧縮機までの間に低圧圧力を検出する低圧圧力と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段と、圧縮機の運転周波数を決定させる運転周波数決定手段とを備え、低圧圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、圧縮機の周波数を増加させる圧縮機運転周波数決定手段により蒸発器内の低圧圧力を減少させるものであって、運転周波数決定手段では、圧縮機の最低運転周波数を、前記低圧圧力と前記外気温度と前記入水温度とを用いて決定するものである。本発明によれば、低圧圧力、外気温度、入水温度から目標周波数を決定するため、過負荷状態で低い周波数で不安定な運転にならないようにコントロールすることができる。
第２の発明は、膨張弁出口から前記圧縮機までの間に低圧圧力を検出する低圧圧力と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、給湯用熱交換器から貯湯タンクに導かれる出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、圧縮機の運転周波数を決定させる運転周波数決定手段とを備え、低圧圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、圧縮機の周波数を増加させる圧縮機運転周波数決定手段により蒸発器内の低圧圧力を減少させるものであって、運転周波数決定手段では、圧縮機の最低運転周波数を、前記低圧圧力と前記外気温度と前記出湯温度とを用いて決定するものである。本発明によれば、低圧圧力、外気温度、出湯温度から目標周波数を決定するため、過負荷状態で低い周波数で不安定な運転にならないようにコントロールすることができる。
第３の発明は、ヒートポンプ回路に使用される冷媒は、二酸化炭素であるものである。この場合、サイクル内の圧力が冷媒の臨界圧力以上まで加圧されるが、低圧側部品を臨界圧力以下で運転することができ、急激な高圧上昇を防止することで高圧部品の設計圧力、更には耐圧部品を臨界圧力以下で運転することで低圧部品の設計圧力を各々抑制させ、圧力容器（蒸発器）や機能部品（膨張弁）のシステムコストを抑制することができる。
（実施の形態１）
以下、実施形態１のヒートポンプ給湯機について図面を用いて説明する。図１は、ヒートポンプ給湯機の回路構成図である。
まず、ヒートポンプ給湯機のヒートポンプ回路について説明する。ヒートポンプ回路１０は、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することが好ましい。
ヒートポンプ回路１０は、圧縮機１１、給湯用熱交換器１２、メイン膨張弁１３Ａ、キャピラリーチューブ１３Ｂ、及び蒸発器１４を順に冷媒配管で接続して構成されている。ヒートポンプ回路１０には、圧縮機１１の温度を検出する温度センサ１０Ａ、圧縮機１１からの吐出冷媒温度を検出する温度センサ１０Ｂ、圧縮機１１からの吐出冷媒圧力を検出する圧力センサ１０Ｃ、吸入冷媒圧力を検出する圧力センサ１０Ｅ、蒸発器１４内の冷媒配管温度を検出する温度センサ１０Ｆ、蒸発器１４の吸入空気を検出する温度センサ（外気温度検出手段）１０Ｄを備えている。ここで、温度センサ１０Ａはコールドスタートの検出を、圧力センサ１０Ｃは圧縮機１１又はヒートポンプ回路１０の異常検出を行う。
次に、貯湯回路について説明する。貯湯タンク２０の底部配管２１は、流量調整弁３１を介して水道管等の水供給配管３２に接続されている。また貯湯タンク２０の底部配管２２は、循環ポンプ２３を介して給湯用熱交換器１２の水用配管１２Ａの流入側と接続されている。また、貯湯タンク２０の上部循環用配管２４は、水用配管１２Ａの流出側と接続されている。なお、本実施例による貯湯タンク２０は、積層式の貯湯タンクであり、タンク内での撹拌が防止され、上部に高温水が底部に低温水が蓄積されるように構成されている。
一方、貯湯タンク２０の上部出湯用配管３３は、混合弁３４に接続されている。また、貯湯タンク２０の底部配管２１から分岐させた出水用配管３５は、混合弁３４に接続されている。混合弁３４の流出側の出湯回路は、キッチン、又は洗面所等の給湯用の蛇口３６に接続されている。この出湯回路には、出湯量を検出する流量センサ３０Ａ、出湯温度を検出する温度センサ３０Ｂを備えている。
なお、貯湯タンク２０には、貯湯タンク２０内の湯量を検出するための複数の温度センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが設けられている。また、水用配管１２Ａの流入側配管には、貯湯タンク２０の底部配管２２から導出される入水温度を検出する温度センサ（入水温度検出手段）２０Ｄが設けられている。また、上部循環用配管２４には、水用配管１２Ａから導出される出湯温度を検出する温度センサ（出湯温度検出手段）２０Ｅが設けられている。
次ぎに運転動作について説明する。貯湯タンク２０内の温度センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃによって、貯湯タンク２０内の湯量が所定量以下となったことを検出すると、ヒートポンプ回路１０を動作させて貯湯運転を開始する。
ヒートポンプ回路１０では、圧縮機１１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器１２で放熱し、メイン膨張弁１３Ａ及びキャピラリーチューブ１３Ｂで減圧された後、蒸発器１４にて吸熱し、ガス状態で圧縮機１１に吸入される。
一方、循環ポンプ２３の運転により、貯湯タンク２０内の水は、底部配管２２を通って水用配管１２Ａに導かれ、水用配管１２Ａで加熱された温水は、上部循環用配管２４を通って貯湯タンク２０に戻される。
圧縮機１１での能力制御及び膨張弁１３での開度制御は、温度センサ１０Ｂで検出される冷媒吐出温度が、あらかじめ設定された温度を維持するように制御される。
次に、運転制御について図２、図３を用いて説明する。図２はヒートポンプ給湯機の最低運転周波数制御のブロック図である。最低運転周波数決定手段４０は、最低運転周波数設定手段４１と入水負荷設定手段４２と外気負荷設定手段４３と低圧圧力設定手段４４を有している。入水負荷設定手段４２では、入水温度によって複数の区間に区分している。外気負荷設定手段４３では、外気温度によって複数の区間に区分している。また、最低運転周波数決定手段４０は、入水負荷決定手段４５と外気負荷決定手段４６と低圧圧力決定手段４７と最低運転周波数決定手段４８とを有している。
図３はヒートポンプ給湯機の圧縮機運転時の最低運転周波数決定の流れを示すフローチャートである。まず温度センサ（入水温度検出手段）２０Ｄで入水温度を、温度センサ（外気温度検出手段）１０Ｄで外気温度を、低圧圧力センサ（低圧圧力検出手段）１０Ｅで低圧圧力を、それぞれ検出し、その検出した入水温度、外気温度、低圧圧力から最低運転周波数を決定する（ステップ１）。実運転周波数が最低運転周波数よりも小さい場合（ステップ２）には、実運転周波数を最低運転周波数まで低下させる（ステップ３）。実運転周波数が最低運転周波数よりも大きい場合（ステップ２）には、そのまま実運転周波数を維持する。以上のようにして、圧縮機運転周波数が変更または維持される。
（実施の形態２）
次に、第２の実施形態におけるヒートポンプ給湯機の貯湯運転制御について図４、図５を用いて説明する。
最低運転周波数決定手段４０は、最低運転周波数設定手段４１と出湯負荷設定手段５１と外気負荷設定手段４３と低圧圧力設定手段４４を有している。出湯負荷設定手段５１では、出湯温度によって複数の区間に区分している。外気負荷設定手段４３では、外気温度によって複数の区間に区分している。また、最低運転周波数決定手段４０は、出湯負荷決定手段５２と外気負荷決定手段４６と低圧圧力決定手段４７と最低運転周波数決定手段４８とを有している。
図５は、圧縮機運転時の最低運転周波数決定の流れを示すフローチャートである。まず温度センサ（出湯温度検出手段）２０Ｅで出湯温度を、温度センサ（外気温度検出手段）１０Ｄで外気温度を、低圧圧力センサ（低圧圧力検出手段）１０Ｅで低圧圧力を、それぞれ検出し、その検出した出湯温度、外気温度、低圧圧力から最低運転周波数を決定する（ステップ１）。実運転周波数が最低運転周波数よりも小さい場合（ステップ２）には、実運転周波数を最低運転周波数まで低下させる（ステップ３）。実運転周波数が最低運転周波数よりも大きい場合（ステップ２）には、そのまま実運転周波数を維持する。以上のようにして、圧縮機運転周波数が変更または維持される。
なお、低圧圧力センサ（低圧圧力検出手段）１０Ｅを用いずに、温度センサ（冷媒配管温度検出手段）１０Ｆにより低圧圧力を推定することも可能である。
以上のように、本発明は、ヒートポンプ給湯機における貯湯タンクの沸き上げ運転の他、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する、瞬間湯沸かし運転にも適用でき、また本発明のヒートポンプ給湯機は、給湯機能の他に、例えば、浴槽給湯機能、暖房機能、乾燥機能を有する装置にも適している。
本発明の実施形態１におけるヒートポンプ給湯機の回路構成図 同ヒートポンプ給湯機の最低運転周波数決定制御のブロック図 同ヒートポンプ給湯機の圧縮機運転時の最低運転周波数決定の流れを示すフローチャート 本発明の第２の実施形態におけるヒートポンプ給湯機の最低運転周波数決定制御のブロック図 同ヒートポンプ給湯機の圧縮機運転時の最低運転周波数決定の流れを示すフローチャート 圧縮機の断面図
符号の説明
１０ ヒートポンプ回路
１０Ｄ 温度センサ（外気温度検出手段）
１０Ｅ 圧力センサ（低圧圧力検出手段）
１０Ｆ 温度センサ（冷媒配管温度検出手段）
１１ 圧縮機
１２ 給湯用熱交換器
１４ 蒸発器
２０ 貯湯タンク
２０Ｄ 温度センサ（入水温度検出手段）
２０Ｅ 温度センサ（出湯温度検出手段）

Claims (3)

  1. 圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を冷媒配管で接続したヒートポンプ回路と、前記給湯用熱交換器に貯湯タンク下部の水を供給して前記給湯用熱交換器で加熱された温水を前記貯湯タンク上部に注入する貯湯回路とを有し、前記圧縮機の運転周波数を可変としたヒートポンプ給湯機であって、前記膨張弁出口から前記圧縮機までの間に低圧圧力を検出する低圧圧力検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記圧縮機の運転周波数を決定させる運転周波数決定手段とを備え、前記低圧圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、前記圧縮機の周波数を増加させる圧縮機運転周波数決定手段により前記蒸発器内の低圧圧力を減少させるものであって、前記運転周波数決定手段では、前記圧縮機の最低運転周波数を、前記低圧圧力と前記外気温度と前記入水温度とを用いて決定することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
  2. 圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を冷媒配管で接続したヒートポンプ回路と、前記給湯用熱交換器に貯湯タンク下部の水を供給して前記給湯用熱交換器で加熱された温水を前記貯湯タンク上部に注入する貯湯回路とを有し、前記圧縮機の運転周波数を可変としたヒートポンプ給湯機であって、前記減圧装置出口から前記圧縮機までの間に低圧圧力を検出する低圧圧力と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記給湯用熱交換器から前記貯湯タンクに導かれる出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記圧縮機の運転周波数を決定させる運転周波数決定手段とを備え、前記低圧圧力検出手段が冷媒の臨界圧力に近づくまたは超えると、前記圧縮機の周波数を減少させる圧縮機運転周波数決定手段により前記蒸発器内の低圧圧力を増加させるものであって、前記運転周波数決定手段では、前記圧縮機の最低運転周波数を、前記低圧圧力と前記外気温度と前記出湯温度とを用いて決定することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
  3. 前記ヒートポンプ回路に使用される冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018136098A (ja) * 2017-02-23 2018-08-30 株式会社富士通ゼネラル ヒートポンプ式給湯装置
CN111148949A (zh) * 2017-09-25 2020-05-12 三菱电机株式会社 冷冻装置
CN113154643A (zh) * 2021-02-26 2021-07-23 维克（天津）有限公司 一种变频风冷模块最低运转频率获取方法
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