JP2007278551A - ヒートポンプ給湯機の除霜運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】着霜状態を確実に判断した除霜運転を実現し、立ち上がりの早いヒートポンプ給湯機を提供すること。
【解決手段】圧縮機４、水−冷媒熱交換器５、膨張手段６、蒸発器７を順次冷媒管で環状に接続する冷凍サイクルと、貯湯タンク１０、水搬送手段１１、水−冷媒熱交換器５を順次水管で環状に接続する給湯サイクルとを有したヒートポンプ給湯機において、貯湯タンク１０内の湯を所定の温度に沸き上げる沸上運転中に蒸発器の着霜を除去する除霜運転を開始させる第１の除霜運転開始条件と、沸上運転終了後に蒸発器の着霜を除去する除霜運転を開始させる第２の除霜運転開始条件とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機における除霜運転に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯機の冷凍サイクルにおいて、運転終了時に蒸発器に着霜したまま運転を終了すると、次回運転を開始する時に、蒸発器に霜が生じた状態で、再度運転を開始されて、着霜により蒸発器の効率が低下し、立ち上がりが遅くなる。このような課題に対して、従来の冷凍サイクルにおける除霜運転には、（暖房）運転を停止する時より前で、所定時間の範囲で除霜運転が行われていた場合には、前回除霜運転が行われてから暫く時間が経過してるので、暖房運転を停止する際に、蒸発器に霜が生じていると判断し、再度除霜運転を行ってから、（暖房）運転を停止する（圧縮機を停止する）除霜運転の制御方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特開平２−１３６６３９号公報

しかしながら、従来の構成では、暖房運転を停止するに際して、時間で判断して除霜運転を行っているので、実際には蒸発器に霜が生じている／いないにも関わらず、除霜運転を行ってしまい、着霜状態を確実に判断した除霜運転を行うことができないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、着霜状態を確実に判断した除霜運転を実現し、立ち上がりの早い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の除霜運転方法は、圧縮機、水−冷媒熱交換器、膨張手段、蒸発器を順次冷媒管で環状に接続する冷凍サイクルと、貯湯タンク、水搬送手段、水−冷媒熱交換器を順次水管で環状に接続する給湯サイクルとを有したヒートポンプ給湯機において、貯湯タンク内の湯を所定の温度に沸き上げる沸上運転中に蒸発器の着霜を除去する除霜運転を開始させる第１の除霜運転開始条件と、沸上運転終了後に蒸発器の着霜を除去する除霜運転を開始させる第２の除霜運転開始条件とを備えたことを特徴とするものである。
これによって、沸上運転中における除霜運転開始条件と、沸上運転終了時における除霜運転開始条件とが別条件となっているので、ヒートポンプ給湯機の圧縮機停止時において着霜していないにも関わらず除霜運転をすることがなく、蒸発器に着霜していることを判断して除霜運転をしているので、次回の沸上運転時においては確実に除霜されているので、ヒートポンプ給湯機の立ち上げを早くすることができ、前回のヒートポンプ給湯機の運転時に着霜に影響されることがなく本来の沸き上げ能力を得ることができる。
また、第２の除霜運転開始条件を設けているので、確実に着霜状態を判断することができ、着霜していないと判断した場合には除霜運転を行わないので、消費電力を減ずることもできる。

確実な除霜運転を実現し、かつ、立ち上がりの早い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、圧縮機、水−冷媒熱交換器、膨張手段、蒸発器を順次冷媒管で環状に接続する冷凍サイクルと、貯湯タンク、水搬送手段、水−冷媒熱交換器を順次水管で環状に接続する給湯サイクルとを有したヒートポンプ給湯機において、貯湯タンク内の湯を所定の温度に沸き上げる沸上運転中に蒸発器の着霜を除去する除霜運転を開始させる第１の除霜運転開始条件と、沸上運転終了後に蒸発器の着霜を除去する除霜運転を開始させる第２の除霜運転開始条件とを備えたことにより、沸上運転中における除霜運転開始条件と、沸上運転終了時における除霜運転開始条件とが別条件となっているので、ヒートポンプ給湯機の圧縮機停止時において着霜していないにも関わらず除霜運転をすることがなく、蒸発器に着霜していることを判断して除霜運転をしているので、次回の沸上運転時においては確実に除霜されているので、ヒートポンプ給湯機の立ち上げを早くすることができ、前回のヒートポンプ給湯機の運転時に着霜に影響されることがなく本来の沸き上げ能力を得ることができる。
また、第２の除霜運転開始条件を設けて、沸上運転終了時における着霜状態を判断しているので、着霜していないと判断した場合には除霜運転を行わないので、余分な消費電力を減ずることもできる。

第２の発明は、特に第１の発明において、沸上運転中に第１の除霜運転開始条件が成立した時は、第１の除霜運転開始条件成立後すぐに除霜運転を開始することにより、沸上運転中に着霜した場合には、すぐに除霜運転をすることで、沸上運転中の沸き上げ能力低下を防止することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、沸上運転中に第２の除霜運転開始条件が成立し、かつ、沸上運転終了条件が成立した時は、除霜運転を行ってから圧縮機を停止することにより、次回の沸上運転を行うに際して、前回の蒸発器の着霜状態に左右されることなく、すぐにヒートポンプ給湯機を立ち上げることができるので、本来の沸き上げ能力を得ることができる。

第４の発明は、特に第１〜第３の発明において、除霜運転中に沸上運転終了条件が成立したときは、除霜運転終了後に圧縮機を停止することにより、除霜運転を再度行うことがなく、余分な電力を消費することのない経済性の高いヒートポンプ給湯機を提供することができる。

第５の発明は、特に第１〜第４の発明において、第１の除霜運転開始条件は、沸上運転中の外気温度が第１の外気設定温度以下であることを検知してから時間ｔ１経過した後に除霜運転を開始させる条件であり、第２の除霜運転開始条件は、沸上運転中の外気温度が第２の外気設定温度以下であることを検知してから時間ｔ２経過した後に除霜運転を開始させる条件であることにより、外気温度を検出するだけの簡単な構成で除霜運転を開始することができる。

第６の発明は、特に第５の発明において、第１の外気設定温度＜第２の外気設定温度であることにより、第２の除霜運転開始条件を第１の除霜運転開始条件よりも成立しやすくさせているので、着霜しているかどうか不明な場合においても、沸上運転終了時に確実に除霜運転をすることができるので、蒸発器の着霜状態を回避し、次回の沸上運転時には、本来の能力で沸上運転を開始することができる。

第７の発明は、特に第１〜第４の発明において、第１の除霜運転開始条件は、沸上運転中の蒸発器温度が第１の蒸発器設定温度以下であることを検知してから時間ｔ１経過した後に除霜運転を開始させる条件であり、第２の除霜運転開始条件は、沸上運転中の蒸発器温度が第２の蒸発器設定温度以下であることを検知してから時間ｔ２経過した後に除霜運転を開始させる条件であることにより、蒸発器温度を検出して除霜運転を開始するので、
確実に蒸発器の着霜状態を判断することができ、次回の沸上運転時には、確実に本来の能力で沸上運転を開始することができる。

第８の発明は、特に第７の発明において、第１の蒸発器温度＜第２の蒸発器温度であることにより、第２の除霜運転開始条件を第１の除霜運転開始条件よりも成立させやすくしているので、着霜しているかどうか不明な場合においても、沸上運転終了時に、確実に除霜運転することで、蒸発器の着霜状態を回避し、次回の沸上運転時には、本来の能力で沸上運転を開始することができる。

第９の発明は、特に第１〜第４の発明において、第１の除霜運転開始条件は、沸上運転中の外気温度が第１の外気設定温度以下であり、蒸発器の温度が第１の蒸発器設定温度以下であることを検知してから時間ｔ１経過した後に除霜運転を開始させる条件であり、第２の除霜運転開始条件は、沸上運転中の外気温度が第２の外気設定温度以下であり、蒸発器の温度が第２の蒸発器設定温度以下であることを検知してから時間ｔ２経過した後に除霜運転を開始させる条件であることにより、外気温度および蒸発器温度の２つのパラメータで除霜運転開始条件を設定するので、確実に着霜状態を判断することができ、次回の沸上運転時には、確実に本来の能力で沸上運転を開始することができる。

第１０の発明は、特に第９の発明において、第１の外気設定温度＜第２の外気設定温度、かつ、第１の蒸発器設定温度＜第２の蒸発器設定温度であることにより、第２の除霜運転開始条件を第１の除霜運転開始条件よりも成立させやすくしているので、着霜しているかどうか不明な場合においても、沸上運転終了時には確実に除霜運転をすることで、蒸発器の着霜状態を回避し、次回の沸上運転時には、本来の能力で沸上運転を開始することができる。
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１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の構成図を示すものである。図１において、本発明のヒートポンプ給湯機１は、ヒートポンプユニット２と給湯ユニット３から構成されており、ヒートポンプユニット２は、圧縮機４、水−冷媒熱交換器５、膨張弁６、蒸発器７を順次環状に、冷媒管で接続して構成されており、蒸発器７には、蒸発器温度センサ８が設けられている。なお、冷媒としては二酸化炭素を用いているので、圧縮機４から吐出する冷媒は臨界圧力以上に加圧されており、水−冷媒熱交換器５において、水に熱を奪われて温度が低下しても凝縮することなく、水−冷媒熱交換器５の全域で冷媒と水との温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られる。またヒートポンプユニット２には、外気温度を検知できるように外気温度センサ９を設けている。また、給湯ユニット３は、水−冷媒熱交換器５、貯湯タンク１０、水ポンプ１１を順次環状に、水配管で接続して構成されており、貯湯タンクから出湯管１２を通って、蛇口やシャワーなどの給湯端末１３へ接続される。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、給湯運転動作について説明する。

給湯運転が開始されると、ヒートポンプユニット２において、圧縮機４で圧縮された高温の冷媒は、水−冷媒熱交換器５に入り、水へと放熱し湯を生成する。その後、膨張弁６で減圧された後、蒸発器７にて吸熱し、ガス状態で圧縮機４に再度吸入され圧縮される。また給湯ユニット３において、水ポンプ１１の運転により、貯湯タンク１０内の水は、水配管を通って水−冷媒熱交換器５に導かれ、水−冷媒熱交換器５において冷媒によって加熱され温水となり、再び水配管を通って、貯湯タンク１０に戻される。貯湯タンク１０に蓄積された温水は、出湯管１２を通って、給湯端末１３に接続され出湯する。なお、本実施の形態における貯湯タンク１０は、積層式の貯湯タンクであり、タンク内での攪拌が防
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る。

以上、このように貯湯タンク１０内の湯を、高温に沸き上げる。また、本実施の形態においては、水−冷媒熱交換器５に入水される湯の温度が、予め設定された温度に達した時に沸上運転終了条件成立とするが、貯湯タンク１０内の湯を、ユーザーの要求する温度に沸き上げることができればよいので、沸上運転の終了条件は、水−冷媒熱交換器５に入水される湯の温度の他、水−冷媒熱交換器５から出湯される湯の温度、貯湯タンク１０内に沸き上がっている湯の温度などが、ある設定値に達した時に沸上運転が終了する条件としてもよい。

しかしながら、このような沸上運転中に、外気温度が低いため、蒸発器に着霜が生じると、熱交換効率が低下するため、本来のヒートポンプ給湯機の能力を発揮することができない。そこで霜を取り除くために、圧縮機４から水−冷媒熱交換器５に送られていた高温・高圧の冷媒ガスを膨張弁６の開度を大きく開くことで、蒸発器７に冷媒を送り霜を溶かす除霜運転を行っている。以下、本実施の形態における除霜運転について図２、図３を用いて説明する。図２は、本実施の形態における除霜運転の制御フローチャート、図３は、本実施の形態における動作タイムチャートである。また本実施の形態では、蒸発器の温度によって除霜運転の開始条件を判定しているが、これに限定されることはなく、外気の温度だけを用いて除霜運転の開始条件としてもよい。また、蒸発器の温度および外気の温度の両方を用いて、除霜運転の開始条件とした場合は、確実な除霜運転を実現することができる。

本実施の形態においては、沸上運転中における通常時の除霜運転のことを通常除霜運転とし、その開始条件を蒸発器の温度ｔｊが第１の蒸発器設定温度であるｔｊ１以下になって時間ｔ１経過したときとしており、この通常除霜運転のほか、本実施の形態では、沸上運転終了時における除霜運転として、遅延除霜運転を設けている。この遅延除霜運転の開始条件は、蒸発器の温度ｔｊが第２の蒸発器設定温度であるｔｊ２以下になって時間ｔ２経過したときとする。また本実施の形態における現在の蒸発器の温度はｔｊと表す。またそれぞれの除霜運転の開始条件である蒸発器の温度を、ｔｊ１＜ｔｊ２としており、遅延除霜運転の開始条件を、通常除霜運転の開始条件よりも成立しやすく設定することで、確実に沸上運転終了時に除霜運転を行い、次回の運転時に本来の給湯効率を得ることができる。

まず、図２の制御フローチャートを用いて、本実施の形態における除霜運転について説明する。
沸上運転が開始されると、蒸発器温度センサ８で検出される値が、通常除霜運転を開始する温度条件を満たしているか、または、遅延除霜運転を開始する温度条件を満たしているかを判定する。それぞれ条件を満たしていれば、通常除霜運転、遅延除霜運転の開始条件が成立するまでの時間をカウントし始める。

それぞれの温度条件を満たしてから、時間ｔ１経過すると第１の除霜運転開始条件の成立とし、時間ｔ２経過すると第２の除霜運転開始条件の成立とする。第１の除霜運転開始条件が成立すると、沸上運転中においても除霜運転を開始すると同時に、通常除霜運転の開始条件よりも、遅延除霜運転の開始条件の方が成立しやすく設定しているので、通常除霜運転の開始条件が成立した時点では、遅延除霜運転の開始条件も成立している。しかしながら沸上運転中においては、遅延除霜運転の開始条件成立による除霜運転は行わない。また、通常除霜運転の開始条件成立による除霜運転終了後には、それぞれカウントした時間などをリセットして、再度除霜運転の開始温度条件の検知を行う。

一方、沸上運転終了間際、もしくは、第１の除霜運転開始条件が不成立で第２の除霜運
転開始条件のみが成立する場合には、第２の除霜運転開始条件成立による除霜運転が行われる。その場合には、第２の除霜運転開始条件が成立して、かつ、沸上運転終了条件が成立した時には、沸上運転を終了するとともに、除霜運転を開始する。そして除霜運転が終了した時に、圧縮機を停止させてヒートポンプ給湯機の運転を停止させる。
以下、それぞれのパターンに分けて、本実施の形態における除霜運転について説明する。

（１）ｔｊ（現在の温度）＜ｔｊ１（通常除霜条件）＜ｔｊ２（遅延除霜条件）の時
図３ａにおいて、蒸発器温度センサ８にて検出された蒸発器温度ｔｊの値が第１の除霜運転開始条件ｔｊ１および第２の除霜運転開始条件ｔｊ２よりも低温であるときには、沸上運転中は第１の除霜運転開始条件の成立によって除霜運転を開始し、沸上運転終了時においては、第２の除霜運転開始条件の成立によって除霜運転を開始する。

まず、沸上運転中の動作を説明する。ＳＴＥＰ１において、通常除霜条件（ｔｊ＜ｔｊ１）および遅延除霜条件（ｔｊ＜ｔｊ２）を検知する。検知してから時間ｔ２後に第２の除霜運転開始条件成立（ＳＴＥＰ２）となり、検知してから時間ｔ１後に第１の除霜運転開始条件成立（ＳＴＥＰ３）とする。しかしながら、沸上運転中においては、第２の除霜運転開始条件が成立したとしても、第２の除霜運転開始条件により除霜運転を開始せずに、時間ｔ１経過した後の第１の除霜運転開始条件成立により除霜運転を開始する。そしてＳＴＥＰ４において除霜運転を終了すると共に、条件をリセットして通常の沸上運転に復帰する。

次に、沸上運転終了間際の動作を説明する。ＳＴＥＰ１と同様にＳＴＥＰ５のタイミングでも通常除霜条件（ｔｊ＜ｔｊ１）および遅延除霜条件（ｔｊ＜ｔｊ２）を検知する。検知してから時間ｔ２後に第２の除霜運転開始条件成立（ＳＴＥＰ６）となる。しかしその後、時間ｔ１経過する前に、沸上運転が終了条件が成立したとき（ＳＴＥＰ７）には、第２の除霜運転開始条件成立による除霜運転を開始する。そして除霜運転終了後に、圧縮機を停止する。（ＳＴＥＰ８）

（２）ｔｊ１（通常除霜条件）＜ｔｊ（現在の温度）＜ｔｊ２（遅延除霜条件）の時
図３ｂにおいて、蒸発器温度センサ８にて検出された蒸発器温度ｔｊの値が第１の除霜運転開始条件ｔｊ１よりも高温で、かつ、第２の除霜運転開始条件ｔｊ２よりも低温である場合には、沸上運転中に除霜運転が起こることがない。

まず、沸上運転中に、ＳＴＥＰ１において、通常除霜条件が不成立（ｔｊ１＜ｔｊ）を検知し、遅延除霜条件（ｔｊ＜ｔｊ２）を検知する。検知してから時間ｔ２後に第２の除霜運転開始条件成立（ＳＴＥＰ２）となるが、沸上運転中であるので、除霜運転に入ることなく、沸上運転を継続する。そして、沸上運転終了条件が成立するＳＴＥＰ３において、第２の除霜運転開始条件成立による除霜運転を開始する。そして除霜運転終了後に圧縮機を停止する。（ＳＴＥＰ４）

（３）ｔｊ１（通常除霜条件）＜ｔｊ２（遅延除霜条件）＜ｔｊ（現在の温度）の時
図３ｃにおいて、蒸発器温度センサ８にて検出された蒸発器温度ｔｊの値が第１の除霜運転開始条件ｔｊ１および第２の除霜運転開始条件ｔｊ２よりも高温である場合には、沸上運転中および沸上運転終了後に除霜運転が起こることがない。

まず、沸上運転中に、ＳＴＥＰ１において、通常除霜条件が不成立（ｔｊ１＜ｔｊ）および遅延除霜条件が不成立（ｔｊ２＜ｔｊ）を検知する。つまり除霜運転を開始するすべての条件を検出しないので、沸上運転中および沸上運転終了時には除霜運転に入ることなく、沸上運転終了とともに圧縮機を停止する。（ＳＴＥＰ２）

以上のように、本実施の形態においては、圧縮機、水−冷媒熱交換器、膨張手段、蒸発器を順次冷媒管で環状に接続する冷凍サイクルを有したヒートポンプ給湯機において、沸上運転中に蒸発器の着霜を除去する除霜運転を開始させる第１の除霜運転開始条件と、沸上運転終了後に蒸発器の着霜を除去する除霜運転を開始させる第２の除霜運転開始条件とを備え、沸上運転中に第２の除霜運転開始条件が成立し、かつ、沸上運転終了条件が成立したときは、除霜運転を行ってから前記圧縮機を停止することにより、不必要な除霜運転をすることなく余分な電力を消費することがなくなり、その結果、経済性が向上するとともに、次回の運転時には、蒸発器の着霜状態が回避されているので、ヒートポンプ給湯機の立ち上がりが早くなるとともに、着霜に影響されることのない本来の沸き上げ能力を得ることができる。

本発明に係るヒートポンプ給湯機の除霜運転方法は、ヒートポンプサイクルと給湯サイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯機、別体に構成された分離型ヒートポンプ式給湯機、給湯用熱交換器で加熱した湯をそのまま出湯できる直接出湯型ヒートポンプ式給湯機などの各種ヒートポンプ給湯機の水―冷媒熱交換器に適用でき、給湯機能のほかに、浴槽給湯、暖房機能、乾燥機能を有するヒートポンプ装置にも適用できる。

本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の構成図 同実施の形態における除霜運転の制御フローチャート 同実施の形態における除霜運転の動作タイムチャート 同実施の形態における除霜運転の動作タイムチャート 同実施の形態における除霜運転の動作タイムチャート

符号の説明

１ ヒートポンプ給湯機
２ ヒートポンプユニット
３ 給湯ユニット
４ 圧縮機
５ 水−冷媒熱交換器
６ 膨張弁
７ 蒸発器
８ 蒸発器温度センサ
９ 外気温度センサ
１０ 貯湯タンク
１１ 水ポンプ
１２ 出湯管
１３ 給湯端末

Claims (10)

1. 圧縮機、水−冷媒熱交換器、膨張手段、蒸発器を順次冷媒管で環状に接続する冷凍サイクルと、貯湯タンク、水搬送手段、水−冷媒熱交換器を順次水管で環状に接続する給湯サイクルとを有したヒートポンプ給湯機において、貯湯タンク内の湯を所定の温度に沸き上げる沸上運転中に蒸発器の着霜を除去する除霜運転を開始させる第１の除霜運転開始条件と、沸上運転終了後に蒸発器の着霜を除去する除霜運転を開始させる第２の除霜運転開始条件とを備えたことを特徴とするヒートポンプ給湯機の除霜運転方法。
2. 沸上運転中に第１の除霜運転開始条件が成立した時は、第１の除霜運転開始条件成立後すぐに除霜運転を開始することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機の除霜運転方法。
3. 沸上運転中に第２の除霜運転開始条件が成立し、かつ、沸上運転終了条件が成立した時は、除霜運転を行ってから圧縮機を停止す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の除霜運転方法。
4. 除霜運転中に沸上運転終了条件が成立したときは、除霜運転終了後に圧縮機を停止する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の除霜運転方法。
5. 第１の除霜運転開始条件は、沸上運転中の外気温度が第１の外気設定温度以下であることを検知してから時間ｔ１経過した後に除霜運転を開始させる条件であり、第２の除霜運転開始条件は、沸上運転中の外気温度が第２の外気設定温度以下であることを検知してから時間ｔ２経過した後に除霜運転を開始させる条件であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機の除霜運転方法。
6. 第１の外気設定温度＜第２の外気設定温度であることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ給湯機の除霜運転方法。
7. 第１の除霜運転開始条件は、沸上運転中の蒸発器温度が第１の蒸発器設定温度以下であることを検知してから時間ｔ１経過した後に除霜運転を開始させる条件であり、第２の除霜運転開始条件は、沸上運転中の蒸発器温度が第２の蒸発器設定温度以下であることを検知してから時間ｔ２経過した後に除霜運転を開始させる条件であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機の除霜運転方法。
8. 第１の蒸発器温度＜第２の蒸発器温度であることを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ給湯機の除霜運転方法。
9. 第１の除霜運転開始条件は、沸上運転中の外気温度が第１の外気設定温度以下であり、蒸発器の温度が第１の蒸発器設定温度以下であることを検知してから時間ｔ１経過した後に除霜運転を開始させる条件であり、第２の除霜運転開始条件は、沸上運転中の外気温度が第２の外気設定温度以下であり、蒸発器の温度が第２の蒸発器設定温度以下であることを検知してから時間ｔ２経過した後に除霜運転を開始させる条件であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機の除霜運転方法。
10. 第１の外気設定温度＜第２の外気設定温度、かつ、第１の蒸発器設定温度＜第２の蒸発器設定温度であることを特徴とする請求項９に記載のヒートポンプ給湯機の除霜運転方法。

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