JP2006292240A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】運転時のディアイス制御を適宜行うことで、低温性能に優れ、ディアイスによる沸き上げ性能低下を極力防ぐヒートポンプ給湯機を提供すること。
【解決手段】外気温を検出する外気温検出手段、及び空気熱交換器温度を検出する空気熱交換器温度検出手段を備えたヒートポンプ給湯機において、外気温Ｘと空気熱交換器温度Ｙとが以下の関係にある第一の条件式（Ｙ＝ａ×Ｘ＋ｂ）と第二の条件式（Ｙ＝ａ×Ｘ＋ｃ）を設け（ただし、ａは正の定数でありｂ>ｃである）、前記第一の条件式の下領域に空気熱交換器温度があった場合、所定のディアイス開始条件を満足すればディアイスを開始する、あるいは前記空気熱交換器温度が前記第二の条件式の下領域にあった場合、ディアイスを開始するので、適宜ディアイス制御を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ給湯機のディアイス制御に関するものである。

ヒートポンプ給湯機（以降、給湯機と呼ぶ）では、空気側蒸発熱交換器（以降空気熱交換器と呼ぶ）は低温となる。その為、外気温がある程度低いときは（２度〜５度以下）空気熱交換器の温度は０度以下となり、ある程度水分が介在する場合は霜となり空気熱交換器に付着する。その後も運転が継続すれば、その霜が徐々に成長する為、やがては空気熱交換器での熱交換能力を阻害し、能力を徐々に落としてしまうという課題が生じる。それを防止する為に、ある程度霜が成長したと推定できる場合は給湯機の電子制御装置にて判定を行い、霜を融かすための運転（以降、ディアイス運転と呼ぶ）を実施する。

この運転は通常の運転と異なり、通常高圧側の水熱交換器の水循環を停止し、膨張弁を全開にすることにより、空気熱交換器にホットガスを送り、空気熱交換器付着の霜を溶かす。つまり、水の循環が止まっているため、基本的に能力はゼロで運転されていることとなり、また通常運転復帰時にもすぐ高温出水ができない。

この為、ディアイス運転は沸きあげ時間長時間化の一因となっており、ディアイス運転を効率良く行うということが重要な課題となっている。つまり着霜現象が生じる全ての外気温度条件下において，除霜運転開始時に空気熱交換器に付着している着霜量を一定に制御することが重要であり、この課題解決への従来の技術として、空気調和機では外気温度Ｘと空気熱交換器温度Ｙから計算される一次式Ｙ＝ａ×Ｘ−ｂ（ａ、ｂは正の定数）に応じて除霜指示をおこなうことで、着霜量一定を目指すディアイス制御を行っていた。それを図７に示す。横軸に外気温度、縦軸に空気熱交器温度をとったものであり、領域Ｂに入った場合ディアイスを行うというものである（例えば、特許文献１参照）。
特開昭５５−１３７４３９号公報

しかしながら、このように上記従来の技術では外気温度と空気熱交換器温度の一次式のみをパラメータとして、ディアイスを行うか行わないかの判断を行っており、また、空気調和機というヒートポンプは同様でも、その他、給湯機特有の着霜に影響を与えるパラメータである周波数、入水温度、水循環量、室外ファン速、外湿度などの影響が考慮されておらず、場合によっては、殆ど着霜がしていない状況でディアイス運転を行うことがあり、結果運転効率を悪化させ、能力を落としてしまうという課題があった。

また逆に着霜が進行した状態でも制御条件が成立せず、結果進行を抑制できないといった課題があった。さらに、高外気温時においても、空気熱交換器温度が図７の領域Ｂにあればディアイスを行うので、全く着霜していない状況において無意味なディアイスを行うという課題があった。さらに加えるならば、外気温をパラメータとして用いていることから、外気温センサが何らかの原因で適切な外気温度を取得できない状況に陥った場合、特に実際よりも低い外気温度を取得した場合、着霜が多量であるにも関わらず、全くディアイスを行わないという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、運転時のディアイス制御を適宜行うことで、低温性能に優れ、ディアイスによる沸き上げ性能低下を極力防ぐヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯機は、外気温を検出する外気温検出手段と、空気側蒸発熱交換器温度を検出する空気側蒸発熱交換器温度検出手段とを備え、前記外気温検出手段が検出した外気温度をＸとし、前記空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度をＹとしたとき、以下の第一の条件式（Ｙ＝ａ×Ｘ＋ｂ）と第二の条件式（Ｙ＝ａ×Ｘ＋ｃ）（但し、ａは正の定数でありｂ>ｃである）において、前記第一の条件式の下領域に前記空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度が存在した場合、所定のディアイス開始条件を満足すればディアイスを開始する、あるいは、前記第二の条件式の下領域に前記空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度が存在した場合、ディアイスを開始することを特徴としたもので、これによって、第一の条件式の下領域において、他に着霜をしているかどうかの基準が加わる。また、第二の条件式の下領域において、無条件にディアイスを行う。

また、本発明のヒートポンプ給湯機は、前記空気熱交換器温度が所定の値を上回っていればディアイスを行わないものである。これによって、外気温度を無視し、空気熱交換器温度が所定の温度以上であればディアイスを行わない。

さらに、本発明のヒートポンプ給湯機は、前記空気熱交換器温度が所定の温度以下の時は、ディアイスを行うものである。これによって、外気温度を無視し、空気熱交換器温度が所定の温度以下になったら、ディアイス制御を行う。

本発明によれば、運転時のディアイス制御を適宜行うことで、低温性能に優れ、沸き上げ性能低下を極力防いだヒートポンプ給湯機を提供することができる。

第１の発明は、外気温を検出する外気温検出手段と、空気側蒸発熱交換器温度を検出する空気側蒸発熱交換器温度検出手段とを備え、前記外気温検出手段が検出した外気温度をＸとし、前記空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度をＹとしたとき、以下の第一の条件式（Ｙ＝ａ×Ｘ＋ｂ）と第二の条件式（Ｙ＝ａ×Ｘ＋ｃ）（但し、ａは正の定数でありｂ>ｃである）において、前記第一の条件式の下領域に前記空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度が存在した場合、所定のディアイス開始条件を満足すればディアイスを開始する、あるいは、前記第二の条件式の下領域に前記空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度が存在した場合、ディアイスを開始することを特徴としたヒートポンプ給湯機で、第一の条件式の下領域において、他に着霜をしているかどうかの基準を加えることができ、ディアイス制御の精度を高めることができる。また、第二の条件式の下領域において、無条件にディアイスを行うが、これによって第一の条件式の下領域において、他に設ける着霜をしているかどうかの判断基準が不適切な設定、あるいは外環境等の影響によって着霜しているという判断ができなかった場合においても、着霜が進行した状態が続くことを防ぐことができ、適宜ディアイス制御を行うことができる。

第２の発明は、所定のディアイス開始条件として、空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度の変化率が、前記空気側蒸発熱交換器温度の下降時において、所定の変化率以上の場合、ディアイスを開始することを特徴とするもので、空気熱交換器が目詰まりしたかどうか判断することができるので、より適切な着霜状態を把握することができ、適宜ディアイス制御を行うことができる。

第３の発明は、所定のディアイス開始条件として、空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度が、第一の条件式の下領域となり、所定時間経過した場合、ディアイスを開始することを特徴としたもので、着霜が進行した状態が続くことを防ぐことができ、適宜ディアイス制御を行うことができる。

第４の発明は、空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度が所定値より大きいとき、ディアイスを行わないことを特徴とするもので、外気温度が高く、着霜のない状態においてはディアイスを行わないので、不適切なディアイスを防ぐことができる。

第５の発明は、空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度が所定値より小さいとき、ディアイスを行うことを特徴としたもので、外気温度センサが着霜や降雪などによって、霜または雪に覆われ、適切に外気温度を取得できなくなった場合においても、外気温度を無視し、空気熱交換器温度が所定の温度以下になったら、ディアイスを行うので、着霜が進行した状態が続くことを防ぐことができ、適宜ディアイス制御を行うことができる
第６の発明は炭酸ガスを用いたもので、地球環境にやさしいヒートポンプ給湯機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図６は本実施の形態に係るヒートポンプ給湯機の構成図の例である。同図において、６１は空気熱交換器、６２の圧縮機、６３の膨張弁、６５の水熱交換器と一系統にて繋がっている。そして６４の送風機によって出される風により、熱交換が行われている。運転時は長時間運転されると徐々に６１の空気熱交換器の温度が下がり、条件により霜が発生・成長する。霜が徐々に成長するに従い、通風抵抗が大きくなり、熱交換量が少なくなって能力が低下する。ヒートポンプ給湯機ではある程度霜が成長したとおもわれる状態を６６の空気熱交温度センサ、６７の外気温度センサの出力により６８の電子制御装置で推定・判断して、除霜運転を行う。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯機について、以下その動作、作用を説明する。

図１は、本発明の実施の形態におけるディアイス判定の概念図を示すものである。図１において、領域Ａは全くディアイスを行わない領域、領域Ｂは条件によってディアイスを行う領域、領域Ｃは無条件にディアイスを行う領域である。ここで、第一の条件式と第二の条件式の定め方について説明を加えておく。実験によって、それぞれの外気温度における能力の最大値からの能力の落ち（例えば最大能力の９０％）について、その状況（最大能力の９０％）における空気熱交換器温度及び外気温度について、略線形的な相関があることが判明した（図３参照）。よってこの関係を利用すれば、能力について最大値から一定の能力落ちの時にディアイスに入れることが可能となる。

しかしながら、周波数、水温、水循環量、室外ファン速、外湿度などの影響により、空気熱交換器温度及び外気温度についての略線形的な関係は変動することもわかっており、単純にこの関係を利用するだけでは、必ずしも適切なタイミングでディアイスに入れることができない。そこで、緩和措置として、狙いの最大能力からの落ちにおける、空気熱交換器温度と外気温度から上下に余裕度を持たせることとし、具体的には、狙いの最大能力からの落ちにおける、空気熱交換器温度と外気温度の略線形的な関係を一次式に変換し、
その一次式に平行に上方向にもっていったのが第一の条件式であり、下方向にもっていったのが第二の条件式とした。こうすることで、領域Ｂにおいて、他のディアイス判定条件を設けることができ、ディアイス制御の精度を上げることができる。

なお、狙いの最大能力からの落ちの決定方法についてであるが、最大能力からの落ちがほとんどない時にディアイス入れる場合、着霜量の少ない状況でディアイス運転が頻繁に行われ、運転時間に対するディアイス運転時間の割合が大きくなり、出湯時間が短くなるため、累積能力が低下すると共に、ディアイス運転毎に空気熱交換器の温度を上げるためのエネルギーが必要となるため、無駄なエネルギーを消費することになる。

一方、最大能力からの落ちが大きい場合、１サイクル当たりの運転時間は長くなるものの、着霜による能力の低下が生じ、無駄なエネルギを消費するだけでなく、着霜量が多いため、ディアイス運転時間が長くなり、沸き上げ時間が長くなる。よって、バランスを考慮し狙いの最大能力からの落ちを決定する必要がある。

本発明の実施の形態においては、最大能力の９０％前後でディアイスに入れることを考えており、これは空気熱交換器が目詰まりするポイントとほぼ一致する。また、周波数、水温、水循環量、室外ファン速などの影響を一次式に盛り込んでおいても当然構わない。さらに、今回は空気熱交換器温度と外気温度の略線形的な関係を１次式として置き換えたが、２次式で置き換えても、あるいはその他の多項式で置き換えても構わない。

また図１において、Ｔａ以上であればディアイスを行なわないが、こうすることで外気温度が高く、着霜のない状態においてはディアイスを行わないので、不適切なディアイスを防ぐことができる。さらにＴｂ以下であればディアイスを行うが、こうすることで外気温度センサが着霜や降雪などによって、霜または雪に覆われ、適切に外気温度を取得できなくなった場合においても、外気温度を無視し、空気熱交換器温度が所定の温度以下になったら、ディアイスを行うので、着霜が進行した状態が続くことを防ぐことができ、適宜ディアイス制御を行うことができる。

図２は、本発明の実施の形態における動作フローチャートである。

まず、図２において運転が行われると、ＳＰ２１において領域Ａ（図１参照）にいるかどうかの判断が行われ、そうであれば、運転を継続し、そうでなければＳＰ２２に進む。ＳＰ２２において、領域Ｂ（図１参照）にいるかどうかの判定が行われ、そうであればＳＰ２３に進み、そうでなければ、領域Ｃ（図１参照）にいるのでディアイスを行う。ＳＰ２３において、空気熱交換器温度の変化率の絶対値が所定の値以上かつ変化率がマイナス（|ΔＴ|>ΔＴａかつΔＴ＜０）かどうかの判定が行われ、そうであればディアイスを行い、そうでなければＳＰ２４に進む。

ここで、ＳＰ２３の条件によって、ディアイスを判定できる根拠を述べておく。実験によって図４に示すような結果を得た。図４は縦軸に能力、と空気熱交換器温度、横軸に運転時間をプロットしたものであり、あるポイントから能力及び空気熱交換器温度が急激に落ち込んでいることが分かる。このポイントにおいて、空気熱交換器が目詰まりをし始めており、この空気熱交換器温度の急激な落ちを用いることにより、精度よくディアイスを行うことができる。

ただし、この空気熱交換器温度の急激な落ち込みについては、領域Ａでこの条件を用いた場合、何らかの外乱によって空気熱交換器温度が急激に落ち込んだ場合、全く着霜していないか、またはほとんど着霜していない状況においてもディアイスに入ってしまうので、空気熱交換器温度の変化率のみをディアイスの判定条件にすることは好ましくなく、空
気熱交換器温度も考慮し（本実施例では領域Ｂにいる場合）ディアスに入れる必要がある。

ＳＰ２４において一旦領域Ｂに入ってから所定時間経過（例えば２０分）したかどうかの判定が行われ、そうであればディアイスを行い、そうでなければＳＰ２２に戻る。ＳＰ２４の条件によって、ディアイスに入れる根拠についてであるが、図５に外湿度が低湿度（例えば７０％以下）における、能力及び空気熱交換器温度の時間変化を示す。図５から分かるように、低湿度条件下においては急激な空気熱交換器温度の減少を見て取ることができず、空気熱交換器温度の変化率をディアイス判定条件にすることができない。

しかしながら、低湿度下においても、領域Ｂであればある程度は着霜している状況であり、この状態が長い時間続くことは累積能力の低下につながり、好ましくない。そこで、Ｂ領域に入り、ある程度の時間（例えば２０分）が経過（この時間は累積能力が最大となるように決めればよい）した場合はディアイスに入れることとした。

以上のように、本実施の形態においては、図１における領域Ｂに空気熱交換器温度があった場合、所定のディアイス開始条件を満足すればディアイスを開始する、あるいは前記空気熱交換器温度が図１における領域Ｃにあった場合、ディアイスを開始することにより、領域Ｂにおいて他に着霜をしているかどうかの基準を加えることができ、ディアイス制御の精度を高めることができる。また、領域Ｃにおいて、無条件にディアイスを行うが、これによって領域Ｂ以下において、他に設ける着霜をしているかどうかの判断基準が不適切な設定、あるいは外環境等の影響によって着霜しているという判断ができなかった場合においても、着霜が進行した状態が続くことを防ぐことができ、適宜ディアイス制御を行うことができる。

また、本実施の形態においては、前記所定のディアイス開始条件として、前記熱交換器温度の変化率が前記熱交換器温度下降時において、所定の変化率以上になった場合、ディアイスを開始することにより、空気熱交換器が目詰まりしたかどうか判断することができるので、より適切な着霜状態を把握することができ、適宜ディアイス制御を行うことができる。

さらに本実施の形態においては、前記所定のディアイス開始条件として、前記空気熱交換器温度が領域Ｂを下回ってから所定時間経過した場合、ディアイスを開始することにより、室外湿度が低く、空気熱交換器が目詰まりしたかどうかの判断を熱交換器温度の変化率によって判断できない場合においても、ある程度着霜が進行している状態である領域Ｂにおいて、一定時間が経過した後ディアイス制御を行うので、着霜が進行した状態が続くことを防ぐことができ、適宜ディアイス制御を行うことができる。

加えて、本実施の形態においては空気熱交換器温度が所定の値を上回っていればディアイスを行わないことにより、外気温度が高く、着霜のない状態においてはディアイスを行わないので、不適切なディアイスを防ぐことができる。

さらに加えて、本実施の形態においては、空気熱交換器温度が所定の温度以下の時は、ディアイスを行うので、外気温度センサが着霜や降雪などによって、霜または雪に覆われ、適切に外気温度を取得できなくなった場合においても、外気温度を無視し、空気熱交換器温度が所定の温度以下になったら、ディアイスを行うので、着霜が進行した状態が続くことを防ぐことができ、適宜ディアイス制御を行うことができる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、運転時のディアイス制御を適宜
行うことで、低温性能に優れ、ディアイスによる沸き上げ性能悪化を極力防ぐことができ、種々のヒートポンプ給湯機に適用できる。

本発明の実施の形態１におけるディアイス判定の概念図 本発明の実施の形態１における動作フローチャート 本発明の実施の形態１におけるそれぞれの外気温における能力について最大能力の９０％の時の空気熱交換器温度と外気と運転時間の関係を示した図温度の関係を示した図 本発明の実施の形態１における能力と空気熱交温度との関係図 本発明の実施の形態１における低湿度時における能力と空気熱交温度と運転時間の関係を示した図 本実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の構成図 従来のヒートポンプ給湯機におけるディアイス判定の概念図

符号の説明

６１ 空気熱交換器
６２ 圧縮機
６３ 膨張弁
６４ 送風機
６５ 水熱交換器
６６ 空気熱交温度センサ
６７ 気温センサ
６８ 電子制御装置

Claims (6)

1. 外気温を検出する外気温検出手段と、空気側蒸発熱交換器温度を検出する空気側蒸発熱交換器温度検出手段とを備え、前記外気温検出手段が検出した外気温度をＸとし、前記空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度をＹとしたとき、以下の第一の条件式（Ｙ＝ａ×Ｘ＋ｂ）と第二の条件式（Ｙ＝ａ×Ｘ＋ｃ）（但し、ａは正の定数でありｂ>ｃである）において、前記第一の条件式の下領域に前記空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度が存在した場合、所定のディアイス開始条件を満足すればディアイスを開始する、あるいは、前記第二の条件式の下領域に前記空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度が存在した場合、ディアイスを開始することを特徴としたヒートポンプ給湯機。
2. 所定のディアイス開始条件として、空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度の変化率が、前記空気側蒸発熱交換器温度の下降時において、所定の変化率以上の場合、ディアイスを開始することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
3. 所定のディアイス開始条件として、空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度が、第一の条件式の下領域となり、所定時間経過した場合、ディアイスを開始することを特徴とした請求項１または２記載のヒートポンプ給湯機。
4. 空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度が所定値より大きいとき、ディアイスを行わないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 空気側蒸発熱交換器温度検出手段が検出した空気側蒸発熱交換器温度が所定値より小さいとき、ディアイスを行うことを特徴とした請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 炭酸ガスを冷媒として使用する請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。

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