JP2008020147A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発温度が上がって空気熱交換器に付着する霜の量が少なくなり、除霜を最後まで確実に行えるようになって、沸き上げ運転が不能になる不具合を回避できるヒートポンプ給湯機の提供。
【解決手段】過去の給湯負荷に応じて沸き上げ設定温度Ｔｓを設定する沸き上げ温度決定手段２０と、所定の加熱能力で沸き上げ設定温度Ｔｓに沸き上げる沸き上げ制御手段２１と、空気熱交換器４の着霜を検知する着霜検知手段２２からの信号に応じて空気熱交換器の除霜運転を行わせる除霜制御手段２３とを備えた貯湯式ヒートポンプ給湯機において、空気熱交換器への着霜量の多少を判断する着霜量判断手段２４の信号に応じて沸き上げ設定温度Ｔｓを補正する沸き上げ温度補正手段２５とを設け着霜量が多いと判断された場合は、沸き上げ温度補正手段は沸き上げ設定温度Ｔｓを高くなるように補正するようにして、沸き上げ運転中の空気熱交換器への着霜量が減らすようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は貯湯タンクの湯水をヒートポンプで沸き上げる貯湯式ヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来よりこの種の貯湯式ヒートポンプ給湯機は、特許文献１に示されるように、貯湯タンクと、圧縮機と冷媒−水熱交換器と減圧手段と空気熱交換器とを有したヒートポンプサイクルとを備え、貯湯タンク内の湯水を過去の給湯負荷に基づく翌日に必要な湯量に応じた沸き上げ設定温度になるように電力料金の安価な深夜時間帯に沸き上げるようにしていたものであった。

このような貯湯式ヒートポンプ給湯機においては、冬季等の外気温度が低い場合に、空気熱交換器が着霜してしまうが、特許文献２に示されるように、空気熱交換器への着霜を検知すると、沸き上げ運転を停止し、減圧手段での減圧をできるだけ行わないようにして、圧縮機からのホットガスを空気熱交換器へ導入することで空気熱交換器に付着した霜を溶かす除霜運転を行うようにしたものであった。
特開２００１−８２８０３号公報 特開２００１−８２８０２号公報

しかし、この従来のヒートポンプ給湯機では、低外気温や降雪時には空気熱交換器への着霜が早く多くの霜が空気熱交換器に付着する傾向があり、特に過去の給湯負荷が小さく沸き上げ設定温度が低く設定されている場合にその傾向が顕著に現れ、空気熱交換器への着霜量が多くなり除霜運転を行っても空気熱交換器に付着した霜を溶かしきれず、沸き上げ運転が不能になる場合があった。

そこで、本発明は上記課題を解決すべく、請求項１では、湯水を貯湯する貯湯タンクと、圧縮機と冷媒−水熱交換器と減圧手段と空気熱交換器とを有したヒートポンプサイクルと、前記貯湯タンクの湯水を前記冷媒−水熱交換器に循環させる循環ポンプと、過去の給湯負荷に応じて沸き上げ設定温度を設定する沸き上げ温度決定手段と、前記ヒートポンプサイクルと前記循環ポンプを作動制御し所定の加熱能力を出力させて前記貯湯タンクからの湯水を前記冷媒−水熱交換器にて沸き上げ設定温度に沸き上げる沸き上げ運転を行わせる沸き上げ制御手段と、前記空気熱交換器の着霜を検知する着霜検知手段と、前記着霜検知手段からの信号に応じて前記ヒートポンプサイクルを制御して前記空気熱交換器の除霜運転を行わせる除霜制御手段とを備えた貯湯式ヒートポンプ給湯機において、前記空気熱交換器への着霜量の多少を判断する着霜量判断手段と、着霜量判断手段の信号に応じて前記沸き上げ温度決定手段で決定した沸き上げ設定温度を補正する沸き上げ温度補正手段とを設け、前記着霜量判断手段にて着霜量が多いと判断された場合は、前記沸き上げ温度補正手段は前記沸き上げ温度決定手段で決定された沸き上げ設定温度を高くなるように補正するようにしたものである。

また、請求項２では、前記沸き上げ温度補正手段が沸き上げ設定温度を高くなるように補正している状態で、前記着霜量判断手段にて着霜量が少なくなったと判断した状態が所定の期間連続した場合は、前記沸き上げ温度補正手段は前記沸き上げ設定温度を低くなるように補正するようにしたものである。

本発明によれば、例えば寒波などによる極低外気温時や降雪時などの、空気熱交換器への着霜量が多い場合に、沸き上げ設定温度を高くして所定の加熱能力を保ったまま沸き上げ運転を行うので、蒸発温度が上がって空気熱交換器に付着する霜の量が少なくなり、除霜を最後まで確実に行えるようになって、沸き上げ運転が不能になる不具合を回避できる。

また、例えば寒波が去って外気温度が上がり、空気熱交換器への着霜量が少ない状態が所定の期間連続した場合は、沸き上げ設定温度を下げて元に戻すようにしているので、沸き上げ運転が不能になる心配がなくなれば、沸き上げ温度決定手段の決定する給湯負荷に応じた沸き上げ設定温度で沸き上げ運転を行い、ユーザーの湯の使用実態に即した消費電力の少ない沸き上げ運転を行える。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。１は冷媒を圧縮して高圧にする圧縮機、２は冷媒と水との間で熱交換させる冷媒−水熱交換器、３は開度調整可能な電子膨張弁よりなる温度低下した冷媒を減圧する減圧手段、４は低温低圧の冷媒と空気とを熱交換させて蒸発させる空気熱交換器、５は空気熱交換器４に空気を強制的に送る送風機であり、これらによってヒートポンプサイクル６を構成している。

７は圧縮機１から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度センサ、８は冷媒−水熱交換器２で熱交換した冷媒の温度を検出する凝縮温度センサ、９は空気熱交換器４に流入する冷媒の温度を検出する蒸発温度センサ、１０は空気熱交換器４から出て圧縮機１に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度センサである。

１１は湯水を貯湯する貯湯タンク、１２は貯湯タンク１１と冷媒−水熱交換器２を循環可能に接続する沸き上げ循環回路、１３は沸き上げ循環回路１２に設けた循環ポンプ、１４は貯湯タンク１１に給水する給水管、１５は貯湯タンク１１から出湯する出湯管、１６は冷媒−水熱交換器２に流入する湯水の温度を検出する入水温度センサ、１７は冷媒−水熱交換器２で加熱された湯水の温度を検出する沸き上げ温度センサである。

１８は貯湯タンク１１の外面の上下に複数設けられた貯湯温度センサであり、貯湯タンク１１内の湯の量を検知するものである。

１９は前記した各種センサの検出値が入力され、各種アクチュエータを予め決められた条件に従い制御する制御手段である。

前記制御手段１９にはその機能として、過去の給湯負荷に応じて沸き上げ設定温度Ｔｓを設定する沸き上げ温度決定手段２０と、ヒートポンプサイクル６と循環ポンプ１３を作動制御し所定の加熱能力を出力させて貯湯タンク１１からの湯水を冷媒−水熱交換器２にて沸き上げ設定温度Ｔｓに沸き上げる沸き上げ運転を行わせる沸き上げ制御手段２１と、空気熱交換器４の着霜を検知する着霜検知手段２２と、着霜検知手段２２からの信号に応じてヒートポンプサイクル６を制御して空気熱交換器４の除霜運転を行わせる除霜制御手段２３と、空気熱交換器４への着霜量の多少を判断する着霜量判断手段２４と、着霜量判断手段２４の信号に応じて沸き上げ温度決定手段２０で決定した沸き上げ設定温度Ｔｓを補正する沸き上げ温度補正手段２５とがプログラムされている。

前記沸き上げ温度決定手段２０は、過去の給湯負荷に応じて沸き上げ設定温度Ｔｓを決定するもので、毎日所定の時刻に貯湯温度センサ１８で検出する貯湯温度から貯湯タンク１１内の残湯量を検知し、この残湯量が所定の最低貯湯量を下回らずにかつ大幅に余ることがないように沸き上げ設定温度Ｔｓを決定するものである。この一実施形態では、一日の間に残湯量が最低貯湯量を下回ると、次回の沸き上げ設定温度Ｔｓを一定温度（例えば５℃）だけ高くし、残湯量が最低貯湯量よりも所定量多い状態を所定の期間（例えば一週間）連続して保持した場合、次回の沸き上げ設定温度Ｔｓを一定温度（例えば５℃）だけ低くする。なお、沸き上げ温度決定手段２０は、過去の給湯負荷に応じて沸き上げ設定温度Ｔｓを決定すれば良いもので、例えば、過去の給湯負荷を実際に給湯に使用した熱量を過去一週間分記憶し、最大使用熱量を下回らない熱量に対応した沸き上げ設定温度Ｔｓを決定する構成としても良いものである。

前記沸き上げ制御手段２１は、ヒートポンプサイクル６と循環ポンプ１３を作動制御し所定の加熱能力を出力させて貯湯タンク１１からの湯水を冷媒−水熱交換器２にて沸き上げ設定温度Ｔｓに沸き上げる沸き上げ運転を行わせるもので、ここでは吐出温度センサ７が検出する冷媒の吐出温度が沸き上げ設定温度に基づいて定まる目標吐出温度になるようにヒートポンプサイクル６の各アクチュエータである圧縮機１、減圧手段３および送風機５が適当に制御され、沸き上げ温度センサ１７の検出する湯水の沸き上げ温度が沸き上げ設定温度になるように循環ポンプ１３が適当に制御され、定格加熱能力を出力するように制御されるものである。この一実施形態では沸き上げ設定温度Ｔｓが変わると、それに応じて冷媒の目標吐出温度も変更すると共に、定格加熱能力を保持するように循環ポンプ１３の能力も変更して沸き上げるもので、沸き上げ設定温度Ｔｓが高く変更されると、冷媒の目標吐出温度も高く変更されると共に循環ポンプ１３の回転数が低く変更されて定格加熱能力が保持される。

前記着霜検知手段２２は、ヒートポンプサイクル６が作動中に吸入温度センサ１０が所定の低温以下を検出すると、空気熱交換器４に霜が付着したとして、着霜信号を出力するもので、さらに除霜運転を開始してから吸入温度センサ１０が所定の温度以上を検出すると、空気熱交換器４の霜が溶けて除霜が完了したとして除霜完了信号を出力するものである。。なお、空気熱交換器４の着霜あるいは除霜完了の検知の方法は、吸入温度センサ１０によるものに限定されず、他の公知の着霜あるいは除霜完了の検知方法によっても良いものである。

前記除霜制御手段２３は、着霜検知手段２２からの着霜信号に応じてヒートポンプサイクル６を制御して空気熱交換器４の除霜運転を行わせるもので、減圧手段３を全開として圧縮機１から吐出された冷媒をできるだけ減圧せずに空気熱交換器４に流し、ホットガスの顕熱と潜熱を用いて空気熱交換器４の霜を溶かす除霜運転を行うものである。そして、除霜運転を開始してから着霜検知手段２２が空気熱交換器４の除霜が完了したことを検知すると、除霜制御手段２３は除霜運転を終了して沸き上げ制御手段２０による沸き上げ運転に復帰する。

ここで、この除霜制御手段２３は通常あるいは除霜運転終了後の沸き上げ運転が開始されてから除霜禁止時間ｔ１のカウントを行っており、この除霜禁止時間ｔ１のカウント中に着霜検知手段２２が着霜を検知しても、除霜禁止時間ｔ１が経過するまでは除霜運転を行わせないようにしているものである。また、除霜制御手段２３は、除霜運転が開始されてから最大除霜制限時間ｔ２のカウントを行い、この最大除霜制限時間ｔ２を経過しても着霜検知手段２２が除霜完了を検知できない場合は、除霜運転を強制的に終了して沸き上げ制御手段２０による沸き上げ運転に復帰する。

なお、この一実施形態では、除霜時のホットガスを減圧手段３を介して空気熱交換器４に供給する構成としているが、これに限らず圧縮機１と空気熱交換器４の間に除霜用のホットガスバイパス管を設けた公知の構成としても良いものである。

前記着霜量判断手段２４は、空気熱交換器４への着霜量の多少を判断するもので、ここでは前記除霜制御手段２３のカウントする除霜禁止時間ｔ１がカウント中に着霜検知手段２２が着霜を検知したり、あるいは前記除霜制御手段２３のカウントする最大除霜制限時間ｔ２が経過しても着霜検知手段２２からの除霜完了信号が出力されずに除霜運転を強制的に終了した場合は、空気熱交換器４への着霜量が多いと判断し、そして、一度着霜量が多いと判断した後は、除霜禁止時間ｔ１のカウント中に着霜検知手段２２が着霜を検知しない状態を一定期間継続した場合や、空気熱交換器４への着霜そのものが発生しない状態が一定期間継続した場合や、あるいは除霜運転を開始してから最大除霜制限時間ｔ２のカウント中に着霜検知手段２２が除霜完了を検知する状態の除霜運転を所定の回数連続で行った場合に、着霜量が少なくなったと判断するものである。なお、この着霜量判断手段２４の着霜量の多少の判断方法はこの一実施形態に限られず、例えば沸き上げ能力の低下具合や空気熱交換器４の温度変化等、他の公知の方法によって着霜量の多少を判断しても良いものである。

前記沸き上げ温度補正手段２５は、着霜量判断手段２４の信号に応じて沸き上げ温度決定手段２０で決定した沸き上げ設定温度Ｔｓを補正するもので、着霜量判断手段２４からの多信号により沸き上げ温度決定手段２０で決定した過去の給湯負荷に応じた沸き上げ設定温度Ｔｓを一定温度α（例えば１０℃）だけ高く補正し、次回の沸き上げ運転で沸き上げ設定温度Ｔｓ＋αで運転させ、それでもまだ空気熱交換器４に多量の霜が付着して着霜量判断手段２４から多信号が出力される場合は、沸き上げ設定温度Ｔｓをさらに一定温度αだけ高くし、次回の沸き上げ運転では沸き上げ設定温度Ｔｓ＋２αで運転するものである。そして、補正された沸き上げ設定温度が最高沸き上げ温度（沸き上げ設定温度の上限値）を超過した場合は、最高沸き上げ温度で次回の沸き上げ運転を行うようにしている。

そして、着霜量判断手段２４が着霜量が少なくなったと判断すると、沸き上げ温度補正手段２５は、沸き上げ設定温度Ｔｓを高くなる側に補正していた一定温度（＋α）分を低い側に一段階元に戻すようにしている。ここで、沸き上げ設定温度Ｔｓ＋２αに補正されていれば−αだけして沸き上げ設定温度Ｔｓ＋αで次回の沸き上げ運転を行わせる。この状態で再び着霜量判断手段２４が着霜量が少なくなったと判断すると、沸き上げ設定温度Ｔｓ＋αを−αして沸き上げ設定温度Ｔｓに戻して次回の沸き上げ運転を行わせる。そして、沸き上げ設定温度Ｔｓにまで戻した後は、沸き上げ温度補正手段２５は沸き上げ設定温度Ｔｓを低くする方向への補正は行わないようにしている。

なお、沸き上げ設定温度Ｔｓが沸き上げ温度補正手段２５によって補正されている間は、沸き上げ温度補正手段２５は沸き上げ温度決定手段２０に対して、湯切れ等によって沸き上げ設定温度Ｔｓそのものが高くなる方向へ変更することは許容し、湯余りによって沸き上げ設定温度Ｔｓを低くなる方向へ変更することを禁止するようにしている。

そして、沸き上げ運転を行う際には、沸き上げ制御手段２１は、ヒートポンプサイクル６の圧縮機１、減圧手段３および送風機５を適当な条件で作動させると共に、循環ポンプ１３を作動させて貯湯タンク１１の下部からの湯水を定格加熱能力で所望の沸き上げ設定温度に沸き上げ、貯湯タンク１１の上部へ戻すものである。

この沸き上げ運転の途中で、着霜検知手段２２が空気熱交換器４の着霜を検知した場合、除霜制御手段２３が減圧手段３を全開として圧縮機１から吐出された冷媒をできるだけ減圧せずに空気熱交換器４に流す除霜運転を行う。

ここで、例えば寒波などによる極低外気温時や降雪時などには空気熱交換器４への着霜量が多くなる状況では、着霜量判断手段２４が空気熱交換器４の着霜量が多いと判断すると、沸き上げ温度補正手段２５にて沸き上げ設定温度Ｔｓを高くなるように補正する。そして、除霜運転が一旦終了した後の沸き上げ運転では沸き上げ制御手段２１は沸き上げ設定温度Ｔｓ＋αになるように沸き上げ運転を行う。

このとき、沸き上げ制御手段２１は、沸き上げ設定温度Ｔｓが＋α分高くされても定格加熱能力を保つようにヒートポンプサイクル６および循環ポンプ１３を制御して沸き上げ運転を行うので、沸き上げ設定温度の上昇によってヒートポンプサイクル６の冷媒吐出温度が高くされると同時に循環ポンプ１３の回転数が低下されることに伴い、空気熱交換器４の蒸発温度が上昇し、空気熱交換器４に付着する霜の量が少なくなり、再び除霜運転を行う状況となっても除霜を最後まで確実に行えるようになって、沸き上げ運転が不能になる不具合を回避できる。

また、例えば寒波が去って外気温度が上がり、空気熱交換器４への着霜量が少ない状態が所定の期間連続したことを着霜量判断手段２４が検知した場合は、沸き上げ設定温度Ｔｓを下げて元に戻すようにしているので、空気熱交換器４への着霜によって沸き上げ運転が不能になる心配がなくなれば、沸き上げ温度決定手段２０の決定する給湯負荷に応じた沸き上げ設定温度Ｔｓで沸き上げ運転を行い、ユーザーの湯の使用実態に即した消費電力の少ない沸き上げ運転を行える。そのため、着霜量が少なく通常の除霜で除霜しきれる時は、従来通り過去の給湯負荷に応じた最適な沸き上げ設定温度Ｔｓで沸き上げ運転を行うため、ヒートポンプサイクル６の成績係数の低下を抑えることができるものである。

本発明は上記した実施形態だけに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で変更することを妨げないものである。例えば、本発明はヒートポンプサイクル６として各要素を直列環状に接続したサイクルとしているが、これに限らず減圧手段３としてエジェクターを用いた公知のエジェクターサイクルとしても良いものである。さらに、除霜時のホットガスを減圧手段３を介して空気熱交換器４に供給する構成としているが、これに限らず圧縮機１と空気熱交換器４の間に除霜用のホットガスバイパス管を設けた公知の構成としても良いものである。

また、前記着霜量判断手段２４は空気熱交換器４に実際に霜が付着した後にその着霜量を判断しているが、これに限られることなく、貯湯式ヒートポンプ給湯機の設置されている雰囲気温度や湿度、給水温度、天候、カレンダー情報等から、空気熱交換器４に付着するであろう霜の量を予測し、予測した着霜量の多少に応じて信号を沸き上げ温度補正手段２５に出力するような構成としても良いものである。この場合、実際に空気熱交換器４に着霜する前から予め着霜しにくい状態で沸き上げ運転を行うようにしているため、空気熱交換器４に付着する霜の量が少なくなり、除霜運転を行う状況となっても除霜を最後まで確実に行えるようになって、沸き上げ運転が不能になる不具合を回避できる。また、着霜量が少ないと予測され通常の除霜で除霜しきれるであろう場合は、従来通り過去の給湯負荷に応じた最適な沸き上げ設定温度Ｔｓで沸き上げ運転を行うため、ヒートポンプサイクル６の成績係数の低下を抑えることができるものである。

本発明の一実施形態のシステム図。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 冷媒−水熱交換器
３ 減圧手段
４ 空気熱交換器
６ ヒートポンプサイクル
１１ 貯湯タンク
１３ 循環ポンプ
２０ 沸き上げ温度決定手段
２１ 沸き上げ制御手段
２２ 着霜検知手段
２３ 除霜制御手段
２４ 着霜量判断手段
２５ 沸き上げ温度補正手段

Claims (2)

1. 湯水を貯湯する貯湯タンクと、圧縮機と冷媒−水熱交換器と減圧手段と空気熱交換器とを有したヒートポンプサイクルと、前記貯湯タンクの湯水を前記冷媒−水熱交換器に循環させる循環ポンプと、過去の給湯負荷に応じて沸き上げ設定温度を設定する沸き上げ温度決定手段と、前記ヒートポンプサイクルと前記循環ポンプを作動制御し所定の加熱能力を出力させて前記貯湯タンクからの湯水を前記冷媒−水熱交換器にて沸き上げ設定温度に沸き上げる沸き上げ運転を行わせる沸き上げ制御手段と、前記空気熱交換器の着霜を検知する着霜検知手段と、前記着霜検知手段からの信号に応じて前記ヒートポンプサイクルを制御して前記空気熱交換器の除霜運転を行わせる除霜制御手段とを備えた貯湯式ヒートポンプ給湯機において、前記空気熱交換器への着霜量の多少を判断する着霜量判断手段と、着霜量判断手段の信号に応じて前記沸き上げ温度決定手段で決定した沸き上げ設定温度を補正する沸き上げ温度補正手段とを設け、前記着霜量判断手段にて着霜量が多いと判断された場合は、前記沸き上げ温度補正手段は前記沸き上げ温度決定手段で決定された沸き上げ設定温度を高くなるように補正するようにしたことを特徴とする貯湯式ヒートポンプ給湯機。
2. 前記沸き上げ温度補正手段が沸き上げ設定温度を高くなるように補正している状態で、前記着霜量判断手段にて着霜量が少なくなったと判断した状態が所定の期間連続した場合は、前記沸き上げ温度補正手段は前記沸き上げ設定温度を低くなるように補正するようにしたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯機。

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